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UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR
Departamento de Ciências Aeroespaciais
Caracterização mecânica de um material híbrido
de
Carbono/Epoxy e Cortiça
Nádia Simão Franco, nº M1760
Professor Doutor José Miguel Almeida da Silva (Orientador)
Dissertação para a Obtenção de Grau de Mestre em
Engenharia Aeronáutica
Covilhã
2009
Dedicado a meu Pai
III
AGRADECIMENTOS
No âmbito do desenvolvimento deste trabalho contribuíram várias pessoas, que num maior ou
menor envolvimento foram importantes para a sua concretização e a quem eu expresso o meu
agradecimento.
Num reconhecimento especial gostaria de denotar aquelas que realmente foram cruciais e
agradecer:
Em primeiro lugar ao Professor Doutor José Miguel Silva (UBI), orientador científico desta
investigação, pelo seu apoio e dedicação, tanto na realização do trabalho experimental como
pela sua orientação na realização desta tese.
Ao Professor Doutor Tessaleno Devezas (UBI), Professor Doutor Paulo Fael (UBI) e ao
Professor Doutor Abílio Silva (UBI), pelas suas preciosas ajudas em todo o desenvolvimento do
trabalho experimental, pelos conhecimentos e conselhos partilhados.
Ao Engenheiro Carlos Coelho do Instituto Politécnico de Tomar, pela disponibilidade e preciosa
ajuda na realização dos ensaios de impacto.
A todos o elementos do Departamento de Ciências Aeroespaciais da UBI, professores e
funcionários, que acompanharam e demonstraram o seu apoio ao longo destes cinco anos e, que
de alguma forma contribuíram para esta concretização.
A todos os meus colegas e amigos que sempre estiveram presentes e que foram um alicerce
muito importante em toda esta caminhada.
Por fim, um profundo agradecimento ao meu Pai, sem o qual nada teria sido possível.
IV
RESUMO
A procura de novos materiais para aplicação na indústria aeroespacial tem tido um
desenvolvimento constante, visando alcançar estruturas leves e de elevada resistência específica,
mas também de elevada tolerância ao dano e fiabilidade em serviço.
O tema desta investigação insere-se no âmbito do desenvolvimento e caracterização mecânica
de um novo material, que combina a elevada performance do carbono/epoxy com as
propriedades únicas da cortiça, pretendendo-se analisar e quantificar as vantagens e
desvantagens da combinação dos dois materiais. A cortiça é um material natural, renovável e
reciclável que demonstra propriedades muito interessantes no contexto aeroespacial. Para além
da sua elevada resistência térmica, fazendo deste um excelente escudo térmico para aplicações
em veículos espaciais, a cortiça apresenta propriedades bastante particulares, demonstrando
elevada tolerância ao dano, bom isolamento acústico e elevada capacidade de amortecimento e
supressão de vibrações.
Neste estudo são efectuados testes estáticos e dinâmicos de modo a analisar as propriedades
mecânicas de um tecido de carbono unidireccional pré-impregnado com resina epoxy, ao qual se
adicionou dois tipos de grânulos de cortiça em duas posições de empilhamento distintas. Para os
diversos parâmetros, são determinadas experimentalmente as características mecânicas do
material sob a forma de ensaios de resistência estática à flexão em três pontos e tracção. Na
avaliação do comportamento face a solicitações dinâmicas, são efectuados ensaios de fadiga e
impacto de baixa-velocidade. Numa segunda fase, após ensaios de impacto é feita uma análise
de caracterização da extensão do dano.
Os resultados experimentais revelam que a performance deste material híbrido depende da
granulometria da cortiça, do tipo de empilhamento e do modo de carregamento efectuado.
Como conclusão geral, constatou-se que a adição da cortiça aos compósitos tradicionais de
carbono/epoxy apresenta algumas vantagens no âmbito de solicitações de carácter dinâmico,
embora se tenha verificado uma diminuição das propriedades mecânicas em situações de
carregamento estático.
Palavras-chave: Material híbrido, carbono/epoxy, cortiça, resistência estática, impacto, fadiga.
V
ABSTRACT
The demand of new materials for the aerospace industry has been facing a constant development
aiming at the design of lightweight structures with high specific resistance, as well as high
damage tolerance and reliability capabilities.
The aim of this research is part of the development and characterization of a new engineering
material, which combines the high performance of carbon/epoxy with the unique properties of
cork, which seeks to analyze and quantify the advantages and disadvantages of combining these
two materials. The cork material is a natural, renewable and recyclable, which shows very
interesting properties in the aerospace. In addition to its high thermal resistance, making this an
excellent thermal applications in space vehicles, the cork posses every specific properties,
showing high tolerance to damage, good sound insulation and high damping capacity and
suppression of vibrations.
In this study static and dynamic tests are made to analyze the properties of a tissue
unidirectional carbon pre-impregnated with epoxy resin, to which was added two types of
granules of cork in two different positions of stacking. For the various parameters are
determined experimentally through static tests of bending in three points and traction, the
mechanical characteristics of the material. In evaluating the dynamic behavior in the face of
requests, are tests of fatigue and low-speed impact. In a second step, after testing for impact
analysis is a characterization of the extent of the damage.
The experimental results show that the performance of this hybrid material depends on the size
of the cork granules, the type of stacking and the mode of loading place. As a general
conclusion, it was found that the addition of cork composites to traditional carbon / epoxy has
some advantages in the context of requests for dynamic character, although there was a decrease
of mechanical properties in case of static loading.
Keywords: Hybrid material, carbon/epoxy, cork material, static strength, fatigue.
Índice
1. Introdução ............................................................................................................................. 2
1.1. Motivação ...................................................................................................................... 2
1.2. Objectivo da investigação ............................................................................................. 3
1.1. Estrutura da tese ............................................................................................................ 3
2. Revisão Bibliográfica ............................................................................................................ 5
2.1 Materiais compósitos – Vantagens em aplicações aeroespaciais .................................. 5
2.2 Impacto de baixa velocidade em materiais compósitos ................................................ 6
2.3 Fadiga em materiais compósitos ................................................................................. 10
2.4 Propriedades da cortiça ............................................................................................... 11
2.5 Considerações sobre materiais híbridos ...................................................................... 15
3. Metodologia Experimental .................................................................................................. 20
3.1. Processo de fabrico...................................................................................................... 20
3.1.1. Materiais .............................................................................................................. 20
3.1.2. Parâmetros de estudo ........................................................................................... 21
3.1.3. Fabrico e processo de cura em autoclave ............................................................ 22
3.2. Ensaios de caracterização estática ............................................................................... 25
3.2.1. Ensaios de flexão em três pontos ........................................................................ 25
3.2.2. Ensaios à tracção ................................................................................................. 28
3.3. Ensaios de caracterização dinâmica ............................................................................ 31
3.3.1 Ensaios de fadiga ................................................................................................. 31
3.3.2 Ensaios de impacto de baixa velocidade ............................................................. 32
4. Análise e discussão de Resultados ...................................................................................... 35
4.1 Características à Flexão ............................................................................................... 35
4.2 Características à Tracção ............................................................................................. 39
4.3 Características à fadiga ................................................................................................ 41
4.4 Características ao Impacto de baixa velocidade .......................................................... 42
4.4.1 Extensão do dano pós impacto ............................................................................ 47
5. Conclusões e trabalhos futuros ............................................................................................ 49
Referências Bibliográficas .......................................................................................................... 51
Anexos......................................................................................................................................... 53
2
1. Introdução _____________________________________________________________________________
1.1. Motivação
Na indústria aeroespacial existe uma constante procura de novos materiais que satisfaçam os
elevados requisitos que estão inerentes a esta actividade. A realização deste trabalho insere-se
numa tese de Mestrado em Engenharia Aeronáutica na Universidade da Beira Interior (UBI),
tendo como tema de estudo a caracterização de um laminado híbrido de carbono/epoxy com
grânulos de cortiça.
A eminência deste tema deve-se às extraordinárias propriedades dos laminados de
carbono/epoxy e da cortiça. A cortiça é um material natural, renovável e ecológico de grande
abundância em Portugal. Apresenta uma baixa densidade e propriedades muito interessantes no
contexto aeronáutico, destacando-se: elevada resistência ao dano, bom isolamento térmico e
acústico, e grande capacidade de amortecimento e supressão de vibrações. Este é um material
com enorme potencialidade, que tem vindo a ser objecto de estudo para compreensão das suas
propriedades e aplicações em diversos ramos industriais. Concretamente, no contexto de
aplicações aeroespaciais, houve já algumas investigações anteriores desenvolvidas na UBI
visando determinar a viabilidade de utilização deste material em componentes sujeitos a
elevadas solicitações mecânicas (1, 2). Por seu turno, sendo os laminados de carbono/epoxy de
alta resistência, um material de referência para uso aeroespacial devido à sua elevada resistência
específica, vários estudos têm sido desenvolvidos tendo em vista a caracterização detalhada das
suas principais propriedades mecânicas. Existe, pois, já uma vasta documentação técnica e
científica relativa a compósitos de carbono/epoxy de alto desempenho, sendo possível salientar
as suas propriedades mecânicas face a outros materiais alternativos, designadamente aços-
carbono e ligas de alumínio tradicionalmente utilizadas na indústria aeronáutica. Por outro lado,
alguns problemas inerentes a este tipo de material face a solicitações dinâmicas estão
extensamente documentos, particularmente mecanismos de dano inerentes a processos de fadiga
e impacto. Torna-se, portanto, importante avaliar possíveis soluções que permitam contornar o
problema de fragilidade dos compósitos de carbono/epoxy face a este tipo de solicitações que
ocorrem com frequência em componentes aeronáuticos.
Introdução
_____________________________________________________________________________
3
Assim, o presente trabalho procura avaliar o potencial de desenvolvimento de um novo material
híbrido que combine as propriedades dos laminados de carbono/epoxy de alta resistência com as
propriedades da cortiça, obtendo-se um novo material com diferentes propriedades
relativamente a cada um dos constituintes.
1.2. Objectivo da investigação
O âmbito desta investigação científica assenta na caracterização de um material híbrido,
construído com laminados de carbono/epoxy de alta resistência e grânulos de cortiça.
Para este estudo variam-se alguns parâmetros de modo a obter-se um amplo conhecimento das
propriedades deste material. Em primeira instância, a granulometria da cortiça foi o parâmetro
principal usado para esta caracterização; seguidamente, o seu posicionamento no empilhamento
com o laminado de carbono/epoxy foi também avaliado.
Numa fase inicial procedeu-se a uma caracterização estática do material, recorrendo a ensaios
de flexão pura e tracção. Com estes pretendeu-se compreender qual a melhor configuração do
material a ser posteriormente considerada para ensaios de carácter dinâmico. Numa segunda
fase efectuou-se o estudo do comportamento dinâmico, onde as amostras foram sujeitas a
ensaios de fadiga à tracção e impacto de baixa velocidade. Após os diversos ensaios, procede-se
à análise do dano e tipo de ruptura do material, principalmente pós-impacto, onde é susceptível
a ocorrência de danos não visíveis, sendo estes os mais problemáticos no que respeita à ruptura
do material durante a sua utilização.
1.1. Estrutura da tese
Este trabalho consta de cinco capítulos principais, iniciando-se com a presente introdução,
seguida da revisão bibliográfica, onde se pretende compilar o actual conhecimento essencial à
realização do presente estudo, enumerando diversas referências importantes para o
conhecimento dos materiais em causa e seus comportamentos mecânicos.
O terceiro capítulo insere todas as considerações inerentes aos estudos experimentais realizados,
nomeadamente o processos de fabrico das amostras e a descrição minuciosa dos ensaios de
caracterização mecânica. A fase seguinte é composta pelos resultados obtidos para as diferentes
Introdução
_____________________________________________________________________________
4
configurações e tipos de ensaios a que foi sujeito o material, assim como a interpretação dos
mesmos.
O culminar da investigação encontra-se no quinto capítulo, com as conclusões retiradas de todo
o trabalho experimental, enumerando as vantagens e desvantagens deste novo material e,
referenciando os pontos de interesse para futuros estudos.
5
2. Revisão Bibliográfica _____________________________________________________________________________
2.1 Materiais compósitos – Vantagens em aplicações aeroespaciais
Os materiais compósitos como hoje os conhecemos aparecem na década de cinquenta como
resposta aos programas espaciais na busca de um material leve e termicamente estável. Na
década de sessenta o desenvolvimento tecnológico dos compósitos expande grandemente como
resposta não só ao sector espacial, mas a todo o sector dos transportes que se encontrava então
em ascensão. Na indústria aeronáutica estes materiais compósitos são predilectos na construção
de vários constituintes de uma aeronave devido à sua elevada resistência específica e à
capacidade de fabrico dos mais diversos componentes com formas complexas e, que de outro
modo, usando materiais monolíticos, não seria possível (3).
Desde do seu desenvolvimento até aos dias de hoje é notável a influência dos materiais
compósitos no nosso quotidiano, pois a sua capacidade adaptativa e multifuncional resulta em
aplicações simples e ao dispor de qualquer pessoa, estando presente em nossas casas e nos
veículos que usamos no dia-a-dia. Porém, são as excelentes propriedades físicas e mecânicas
que tornam estes materiais atractivos a aplicações de alta performance, não só para a indústria
aeroespacial, mas também para a engenharia em si, no fabrico de componentes para os mais
diversos fins.
A sua constituição dá origem à denominação de material compósito ou material composto, que,
como o próprio nome indica, é uma composição de dois ou mais materiais que após a sua
junção formam um material em si, embora macroscopicamente seja possível distinguir os
diferentes constituintes. Podemos dividir, então, os compósitos em duas fases distintas: a fase
do reforço, que suporta a maior parte dos esforços a que este possa estar solicitado, sendo
normalmente constituída por fibras como as fibras de vidro, aramida e carbono ou por pós
cerâmicos; e a fase da matriz, que tem por função agregar o reforço transmitindo os esforços
entre si. O tipo de material recebe a designação consoante o tipo de matriz que o constitui e
deste modo temos compósitos de matriz polimérica (PMCs), compósitos de matriz metálica
(MMCs), compósitos de matriz cerâmica (CMCs) e os compósitos carbono/carbono (CCCs) (4).
Os compósitos são materiais heterogéneos onde são visíveis as diferentes fases e, em cada fase
as propriedades variam. No caso do reforço de fibras, estas têm comportamentos muito distintos
Revisão Bibliográfica
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6
consoante o sentido da solicitação, ao longo da fibra ou transversalmente. A sua
heterogeneidade propicia o aparecimento de falhas complexas, diferenciando-se neste ponto dos
metais e outro materiais monolíticos. O caso de falhas devido a cargas dinâmicas de impacto é
um exemplo bastante explícito dessas diferenças. Quando aparece um dano num monolítico,
normalmente a fenda propaga-se até que ocorra falha desse material. Num compósito o início de
uma fissura não significa obrigatoriamente ruptura do material, pois quando uma fibra se quebra
as fibras vizinhas podem manter-se intactas limitando os danos.
A área dos materiais compósitos é uma área bastante extensa apresentando uma vasta literatura
que aprofunda e especifica cada tema. Os compósitos reforçados com fibra de carbono são os
mais utilizados em estruturas aeroespaciais, podendo ser combinadas com matrizes poliméricas,
metálicas, cerâmicas e carbono. No entanto, a resina epoxídica, uma matriz polimérica
termoendurecível, é aquela que permite a obtenção de melhores propriedades mecânicas (3). As
fibras de carbono podem apresentar-se de dois modos: (UHS) – “Ultrahigh Strength” e as
(UHM) – “Ultrahigh Modulus”. Como os próprios nomes sugerem, as fibras UHS têm uma
elevada resistência à tracção, ao passo que as UHM têm um elevado módulo de Young. O
presente estudo cinge-se à aplicação de CFRP (Carbon Fiber Reforced Plastic), mais
propriamente carbono/epoxy de alta resistência, sendo que este compósito não só apresenta uma
boa relação peso/custo, como também as melhores características mecânicas, nomeadamente
resistência específica e elevada resistência à fadiga (3, 5).
2.2 Impacto de baixa velocidade em materiais compósitos
Uma aeronave não se encontra isenta de colisões com objectos desconhecidos, que embora não
causem danos devastadores, podem dar origem a rupturas de estruturas caso a falha não seja
controlada. Durante o voo esta encontra-se exposta a diversos perigos como: aves, bolas de
granizo e objectos de pista desconhecidos. O impacto, em qualquer um destes casos, se for num
material monolítico, como as ligas de aço e alumínio é facilmente detectado, pois o dano é
visível à superfície. Mas, hoje em dia em aeronaves recentes onde as estruturas, tanto fora como
dentro das aeronaves, são feitas essencialmente de materiais compósitos, o impacto de um
objecto destas dimensões pode ser dificilmente identificado. Embora a colisão de objectos em
compósitos não deixe aparentemente dano, pode causar danos no interior do material,
manifestados sob a forma de delaminações, ruptura da matriz ou mesmo quebra de fibras de
reforço.
Revisão Bibliográfica
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7
O impacto tem porém de ser considerado de dois modos distintos: impacto de alta velocidade e
impacto de baixa velocidade. No impacto de alta velocidade para um mesmo impactor, o dano
causado é localizado na zona de impacto, pois o tempo de contacto é diminuto e a energia
absorvida pelo material é muito baixa. No impacto de baixa velocidade, o contacto do impactor
com a amostra é longo, aumentando o momento de incidência (Figura 1, (6)). Durante este
contacto, do impactor com o material, a energia de impacto é transmitida a zonas da amostra
mais distantes da zona de impacto em si (6, 7). Para o presente trabalho iremos apenas
considerar impacto de baixa-velocidade, dado o estudo ter a pretensão de compreender a
capacidade do material se deformar elasticamente e absorver energia durante esse processo.
Figura 1 – a) Resposta típica a um impacto de baixa-velocidade, b) Resposta típica a um impacto de alta-
velocidade. (Imagem retirada de: W. J. Cantwell, J. Morton. The influence of varying projectile mass on the
impact response of CFRP)
Os compósitos são materiais de elevada resistência e dureza específicas, mas devido a serem
laminados de interfases frágeis são susceptíveis a danos provocados por cargas de impacto. Nos
ensaios de impacto de baixa velocidade o modo de ruptura mais comum é a delaminação, que
embora não se encontre imediatamente adjacente à zona de impacto, pode estender-se até zonas
mais distantes da amostra (8,9). Esta delaminação só ocorre para certos níveis de energia,
abaixo dos quais o material não tem dano permanente. Após impacto, dado não ser possível
visualizar externamente este tipo de dano, o componente ao ser carregado novamente pode
sofrer ruptura total. Para a previsão do início do processo de delaminação foram efectuados
estudos numéricos que visam compreender e implementar modelos que possam prever o início
de dano em compósitos sujeitos a cargas de impacto (7,8,9,10) Mas não podemos falar de
delaminação em compósitos de um modo geral, uma vez que cada estudo é um caso concreto,
pois o processo de delaminação depende de vários factores e, cada estudo numérico engloba
parâmetros específicos.
Revisão Bibliográfica
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O impacto em materiais compósitos gera normalmente uma área de dano envolvente à zona de
impacto. Essa extensão de dano depende do tipo de impactor, ou seja, se este é esférico,
cilíndrico, cónico ou piramidal. Os mais comuns são os esféricos e cilíndricos, dado
aproximarem-se mais a casos reais de impacto, onde o raio é também factor preponderante na
medida em que quanto maior o raio do impactor, menor é o dano causado no espécime
impactado (6). A extensão do dano depende não só do tipo de impactor mas da massa e da
distância a que este se encontra do alvo. Um impacto de uma pequena massa quando largada de
uma altitude considerável pode ser mais significativo do que o de massa substancialmente
superior a uma altitude menor. Deste modo o nível de energia de impacto é o factor
preponderante na extensão do dano, pois para uma mesma massa largada de altitudes diferentes
a energia transmitida ao material é tanto maior quanto a altura de queda (9). Esta relação é dada
pelo balanço de energia, entre a energia cinética e a energia potencial (Equação 1e 2). Onde a
energia de impacto é igual à energia potencial, podendo deste modo obter-se a velocidade de
impacto (Equação 3).
Equação 1 𝑬𝒎 = 𝑬𝒄 + 𝑬𝒑
Equação 2 𝟏
𝟐𝒎𝒗𝟐 = 𝒎. 𝒉. 𝒈
Equação 3 𝑬𝒊𝒎𝒑𝒂𝒄𝒕𝒐 = 𝒎. 𝒉. 𝒈
m = massa (Kg);
v = velocidade (m/s);
h = altura de queda (m);
g = aceleração da gravidade (m/s2).
Os compósitos reforçados com fibra de carbono, CFRP têm a capacidade de absorver e dissipar
energia de impacto através de deformação elástica e no processo de fractura do material. Esta
capacidade de absorção de energia elasticamente depende das propriedades mecânicas das fibras
e da matriz, da velocidade de impacto e da estrutura do componente. Em condições de impacto
de baixa velocidade em compósitos CFRP é importante a geometria do material, ao contrário do
impacto de alta velocidade (9, 11). Em amostras circulares a capacidade de absorção de energia
é inferior em relação a amostras com formato de uma viga. A espessura do espécime é também
importante: em amostras finas o dano causado tende a ser mais localizado, enquanto que em
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9
amostras de maior espessura, as camadas inferiores separam-se das superiores, transmitindo
entre si energia e dissipando-a. Em conclusão, a extensão do dano depende fortemente da
habilidade do material em absorver energia elasticamente e, depende da geometria deste, não se
podendo deste modo generalizar através de um só caso (12).
Quando ocorre um impacto em componentes construídos em materiais compósitos, e devido ao
facto do dano ser muitas vezes invisível à superfície, as inspecções destes são mais complexas e
morosas, recorrendo-se a testes de carácter não destrutivo para analisar e quantificar a extensão
do dano. Exemplos destes testes são a termografia, radiografia raio-X, a análise por ultra-sons
A,B e C scans, holografia, emissão acústica e a FPI - inspecção por líquidos penetrantes
(9,13, 14).
A inspecção por ultra-sons é a técnica mais comum na inspecção de defeitos e danos em
materiais compósitos. O espécime é colocado dentro de água de modo a garantir a máxima
transmissão da energia ultrasónica e, o teste consiste na emissão de um impulso e recepção do
seu eco. Este sinal é posteriormente amplificado e convertido num sinal eléctrico que é tratado
pelo software e resulta num espectro de cores. A análise C-Scan é a mais indicada para a
detecção de delaminações em compósitos, embora não seja suficientemente ampla, não
detectando quebra de fibras nem fractura da matriz. A inspecção ultrasónica pode tornar-se
muito complexa de analisar, pois os materiais compósitos apresentam quase sempre defeitos de
fabrico e, caso estes sejam muito significativos, são detectados com falhas induzindo a erros nos
resultados obtidos. Porém existe um problema que se pode tornar ainda mais complexo, devido
à não propagação do sinal em materiais que apresentem propriedade visco elásticas muito
acentuadas.
A termografia é uma das técnicas mais indicadas para a detecção de delaminações, estando
associada à capacidade de absorção e dissipação de calor na região do dano. A condutividade do
material é também factor importante, pois no caso onde se usam fibras de reforço, esta varia
com o alinhamento das fibras. Assim como no caso do raio-X, onde a obtenção de uma imagem
clara depende da capacidade de absorção da radiação (14). A inspecção por líquidos penetrantes
é uma técnica mais recente que consiste na injecção capilar de um líquido através das falhas do
material que quando iluminado por uma luz ultravioleta floresce, sendo assim possível
visualizar as zonas de falha (13).
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2.3 Fadiga em materiais compósitos
O problema da fadiga é um dos campos que dá origem a mais investigações no mundo dos
materiais. A fadiga em compósitos é alvo de vários estudos, pois ao contrário dos materiais
monolíticos, a previsão e propagação de uma falha é bastante complexa. Nos materiais
compósitos, a ocorrência de uma fractura na matriz ou mesmo numa das fibras não significa que
o dano se estenda a fibras vizinhas. Deste modo os materiais compósitos apresentam geralmente
uma resistência à fadiga superior a materiais metálicos isotrópicos, como ligas de aço e
alumínio comummente usadas na construção de aeronaves (15).
Quando se fala em fadiga nos componentes de uma aeronave, entramos num campo complexo e
questionável. Ao pensarmos numa estrutura que tenha um dano provocado por fadiga é errado
pormos em causa a sua integridade: na realidade não quer dizer que esta esteja inutilizada ou
represente algum perigo. A fadiga de um material é definida como alterações das suas
propriedades mecânicas quando este se encontra sujeito a carregamentos cíclicos (Figura 2).
Esses carregamentos podem ser efectuados sem que haja ruptura do material durante um
determinado número de ciclos. Este limite depende da natureza do material, e depende do valor
da carga aplicada. O modo de aplicação da carga é também preponderante na vida do material,
pois ao falarmos em cargas de flexão, tracção ou compressão, estamos a falar de modo de
carregamento distintos entre si que afectam mais ou menos o desempenho do material (16).
Figura 2 – Curva sinusoidal representativa da amplitude de tensões versus tempo
Amplitude
Tempo
Duração de um ciclo Amplitude
de pico
Amplitude
pico a pico
Amplitude
média
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11
Ao falarmos em fadiga e carregamentos cíclicos, estamos normalmente a referirmo-nos a ondas
sinusoidais onde é aplicada uma tensão média, 𝝈média, (
Equação 4) e uma amplitude de tensões, ∆𝝈, (Equação 5), que fazem deste modo variar uma razão
de tensões, R, (Equação 6) entre um valor máximo e mínimo. Deste modo para um estudo de
fadiga devem ser tomadas em conta as seguintes equações:
Equação 4 𝝈𝒎é𝒅𝒊𝒂 = 𝝈𝒎á𝒙+𝝈𝒎𝒊𝒏
𝟐
Equação 5 ∆𝝈 = 𝝈𝒎á𝒙−𝝈𝒎𝒊𝒏
𝟐
Equação 6 𝑹 =𝝈𝒎𝒊𝒏
𝝈𝒎á𝒙
No projecto de um componente que estará sujeito a cargas cíclicas, a escolha do material deve
ser bem analisada. O material deve apresentar características à fadiga, para esse tipo de
carregamento, bem compreendidas e, deve ser feita uma previsão da vida desse componente,
nomeadamente da iniciação da falha, crescimento e a ruptura final (16). Caso concreto dos
compósitos, os mecanismos de falha são diversos: falha transversal da matriz, delaminações,
fissuras ao longo das fibras, desagregação entre a matriz e a fibra e fractura das fibras de reforço
(17 e 18).
Diversos estudos foram efectuados na busca de uma previsão sólida do inicio e propagação de
fissuras em materiais compósitos, embora seja no estudo da fadiga em CFRP que a maioria dos
investigadores se debruce, dado este ser o material com mais aplicações em toda a indústria. A
previsão de vida de uma estrutura de CFRP tornou-se crucial desde que este material foi
aplicado na construção de componentes aeronáuticos e, desde então, a procura de soluções para
aumentar o tempo de vida deste material à fadiga é incansável (17,18, 19, 20).
2.4 Propriedades da cortiça
As aplicações da cortiça são conhecidas desde 3000 anos antes de Cristo, onde esta era aplicada
em utensílios de pesca, devido à sua capacidade de flutuar. Já nos tempos da Antiguidade Grega
se refere a existência de rolhas e tonéis fabricadas em cortiça, bem como ânforas vedadas de
Revisão Bibliográfica
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12
cortiça, encontradas em escavações de Pompeia (65-8 a.C.). Em Portugal existem relatos do uso
desta como isolamento contra o frio e a humidade, em selas em conventos, como no caso do
Convento dos Capuchos datado de 1560 (21).
A cortiça provém da espécie botânica Quercus suber L. denominada tipicamente de Sobreiro.
Esta é composta essencialmente por suberina (30% a 50%), lenhina (20% a 30%) e celulose
(10% a 20%) (21). Este parênquima suberoso, tem origem em células merismáticas de súber-
felodérmico, formando uma camada de células mortas em torno do tronco e ramos, que funciona
como protecção do espécime. Este tecido morto apresenta características particulares, dado ser
um material celular, isto é um material constitui apenas pelas paredes das células em que o seu
interior ficou vazio durante o processo de crescimento, como é possível ver na Figura 3, (22).
Esta característica morfológica confere-lhe assim a designação de material alveolar, albergando
grandes quantidades de ar no seu interior (22). Um exemplo de um material alveolar sintetizado
é o caso do honeycomb ou favos de abelha, muito usado em estruturas sandwich. A sua estrutura
assemelha-se à da cortiça, caracterizando-se assim este tipo de material de uma enorme leveza.
A palavra liège, que significa cortiça em francês, deriva do latim levis e tem origem na
propriedade de “leveza” deste material.
a) b)
Figura 3 – a) Imagem microscópica da estrutura celular da cortiça. b) Representação esquemática da
estrutura da cortiça evidenciando as duas principais direcções. (Imagem retirada de: Lorna J. Gibson,
Biomechanics of cellular solids).
Actualmente, Portugal é o maior produtor mundial de cortiça, detém três-quartos da produção
mundial, sendo que a Europa (Portugal, Espanha, França e Itália) representa 80% de toda a
produção (21). Este material tem importante valor económico, na medida em que apresenta
propriedades ecológicas, pois além de ser natural e renovável é também reciclável, o que hoje
em dia é factor importante quando se fala em desenvolvimento sustentável.
Revisão Bibliográfica
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13
A cortiça é um material com propriedades bastante particulares, tendo um bom isolamento
térmico, acústico, eléctrico e vibrático, sendo impermeável a líquidos e a gases, e com boas
propriedades dieléctricas (23). Devido à sua capacidade de suportar elevadas temperaturas esta é
também usada como escudo térmico. Recentemente, um composto de cortiça e resina fenólica
foi implementado pela EADS-Space Transportions Company, no escudo térmico da sonda
Beagle 2 que foi lançada em 2005 com destino a Marte. Este novo material denominado
Norcoat-liège, foi sujeito a um tratamento térmico de 1500ºC e, concluiu-se que as células
merismáticas eram conservadas, assim como a sua morfologia da cortiça, verificando-se porém
uma diminuição da espessura da parede das células (24).
Devido à sua estrutura alveolar de paredes celulares finas, esta tem a capacidade de se deformar
e recuperar a sua forma original na maior parte das vezes quase completamente. J.F. Mano et al.
(25) referem a recuperação da cortiça ao longo do tempo após carregamento, tanto no sentido
axial como no sentido radial. A resistência e recuperação da cortiça é superior no sentido axial,
o que se deve à rigidez que no sentido radial é oferecida pelas células alveolares, enquanto no
sentido axial a cortiça deforma-se quando comprimida sem ocorrer ruptura do material. Apesar
do diferente comportamento nos distintos sentidos, em geral a cortiça apresenta um
comportamento visco elástico, com capacidade de recuperação ao longo do tempo, embora
mesmo para cargas de baixa amplitude esta não consiga recuperar totalmente a sua forma
inicial, a deformação permanente é muito baixa.
Quando sujeita a cargas à compressão é nítido que o comportamento da cortiça varia consoante
o sentido de aplicação, verificando-se uma maior resistência no sentido axial face ao sentido
radial (26). Na
Figura 4 (23, 26), na curva de tensão-deformação da cortiça à compressão é possível visualizar
as diferentes fases, elástica e plástica, vendo que a fase inicialmente corresponde à flexão
elástica do material, a cortiça deforma-se mas recupera a forma inicial, mas com o aumento da
tensão aplicada as células vão sendo esmagadas entre si e as paredes enrugadas até entrarem em
contacto permanente ao atingir 70% da extensão. Já quando sujeita a uma carga à tracção, a
cortiça apresenta resultados bem diferentes, onde exibe uma maior tensão e extensão no sentido
radial quando comparada ao sentido não radial (Figura 5, (23)). Verificam-se também diferenças
em termos do módulo de Young, onde os valores à compressão são inferiores aos da tracção,
pensa-se que este facto ocorra devido à rugosidade das paredes das células, sendo que à tracção
as ondulações das paredes diminuem e à compressão aumentam.
De um modo geral o comportamento mecânico da cortiça é substancialmente diferente quanto
ao sentido e direcção de aplicação do esforço.
Revisão Bibliográfica
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14
Figura 4 – Compressão das células de cortiça no sentido axial. Curva de compressão, tensão-deformação da
cortiça. (Imagens retiradas de: L. Gibson, M. Ashby, Cellular solids: structures ans properties and S. P. Silva et
al, Cork: properties, capabilities and applications).
Figura 5 – Curva de tracção, tensão-extensão para as diferentes direcções: R, radial; A, axial; T, tangencial.
(Imagem retirada de: S. P. Silva et al, Cork: properties, capabilities and applications).
Os produtos de cortiça podem ser divididos em três sectores: os produtos obtidos por simples
talha, que são feitos de cortiça natural; os granulados, que são obtidos por trituração de cortiça
virgem, aparas ou refugo e, os aglomerados puros, que são denominados de aglomerados
negros e subdividem-se em três tipos: térmico, acústico e vibrático.
Os granulados de cortiça são os que apresentam as granulometrias menores em relação à gama
dos triturados, sendo subdivididos consoante o tipo de aplicação que são três: os granulados
“limpos”, que se destinam essencialmente ao fabrico de rolhas e discos de aglomerados de
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15
cortiça, neste não há regranulações, são obtidos por trituração de aparas, bocados e refugos; os
granulados para aglomerados compostos, são obtidos por trituração de cortiça virgem, refugos
e desperdícios de outros processamentos e, os granulados para fabrico de aglomerado negro,
onde a trituração é mais grosseira e provem de cortiça virgem e mesmo ramos de sobreiro (21).
Na investigação inerente são usados os granulados de cortiça, mais propriamente granulados
compostos. Os granulados usados são de pequenas dimensões e de duas granulometrias
diferentes.
2.5 Considerações sobre materiais híbridos
Nenhum material reúne características excelentes em todos os domínios de utilização. Há
sempre que considerar uma solução de compromisso entre as vantagens e inconvenientes de
cada tipo de material. Alternativamente, pode-se tentar combinar dois ou mais materiais já
existentes e sobrepor as suas propriedades, resultando num material híbrido. O ideal de um
híbrido é combinar as melhores propriedades de ambos os materiais constituintes originais.
Existe uma certa dualidade sobre os materiais híbridos. Há quem diga que os compósitos, os
polímeros e as madeiras são materiais em si com propriedades distintas. Mesmo as estruturas
sandwich, podem ser vistas como faces e núcleo separadamente ou ser consideradas como um
material em si com densidade, dureza e resistência próprias (27).
Na realidade, um material híbrido não é apenas uma junção de dois ou mais materiais, mas sim
um material optimizado, com geometria e escala definidas, com os constituintes certos e a
sobreposição adequada das suas propriedades individuais para um propósito específico de
engenharia. Por vezes o compromisso entre as propriedades implica um “sacrifício” de um dos
lados. Nem sempre é possível criar uma harmonia perfeita, mas consoante os ganhos e as perdas
a combinação pode ser útil.
Quando se fala em materiais compósitos, o termo híbrido é maioritariamente associado à
conjugação de duas ou mais fibras de reforço, pois é possível tirar as vantagens de ambas
simultaneamente. Um caso de implementação de tecidos de reforço híbridos foi estudado por S.
H. Lee et al. (28), que combinou dois tipos de tecido de CFRP. Um dos tecidos é pré-
impregnado de fibras longas unidireccionais e o outro é um prepreg não tecido, ou seja, é um
pré-impregnado de fibras soltas, dispostas aleatoriamente (Figura 6, (28)). Neste trabalho
Revisão Bibliográfica
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16
efectuaram-se ensaios estáticos de tracção e, fadiga à tracção no novo pré-impregnado híbrido.
Dos ensaios estáticos de tracção obtiveram-se os seguintes resultados: O CRFP unidireccional
apresenta um módulo de Young longitudinal superior ao das amostras de prepreg híbrido,
contudo no sentido transversal é o prepreg híbrido que apresenta maior módulo de Young. Em
relação ao comportamento à fadiga, assim como nos ensaios de tracção estática, as amostras
híbridas apresentam um aumento na resistência à fadiga no sentido transversal, apesar de no
sentido longitudinal o prepreg unidireccional ter uma resistência maior. Concluí-se que o
preperg de fibras soltas influencia a resistência do material híbrido no sentido transversal, mas
no sentido longitudinal não são incrementadas as propriedades, sendo que o CFRP
unidireccional apresenta maior resistência (28).
Figura 6 – Representação esquemática do pré-impregnado híbrido. (Imagem retirada de: S. H. Lee et al,
Tensile properties and fatigue characteristics of hybrid composites with non woven carbon tissue).
Para aplicações de elevado desempenho, como é o caso de aplicações aeroespaciais, onde
resistência específica, rigidez específica, absorção de energia, resistência à corrosão e redução
de peso são imperativos é usual o uso das fibras de elevado módulo elástico (HM), mas são
fibras muito dispendiosas. Por isso, uma hibridação com fibras mais económicas, embora de
menor módulo, pode ser uma solução vantajosa.
Quando sujeitos a cargas de impacto, os compósitos reforçados com fibras de HM, como as de
carbono e boro, apresentam uma menor resistência em relação aos reforçados com fibras de
vidro ou mesmos às usuais ligas de aço. Neste caso um modo de melhorar as propriedades ao
impacto é a combinação destas fibras HM com uma fibra de módulo elástico menor como a “E-
glass”. Juntando as vantagens de ambas, obtemos a rigidez das fibras de HM, a tolerância ao
dano das de baixo módulo e uma redução de custo.
Revisão Bibliográfica
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17
Um estudo efectuado com compósitos de reforço híbrido por N. K. Naik et al, (29), combina as
fibras de carbono com fibras E-glass numa matriz epoxídica. As amostras são sujeitas a ensaios
de compressão de taxa de carregamento de elevada deformação (high strain rate loading),
através do aparelho de “Split Hopkinson pressure bar” (SHPB). O funcionamento do SHPB
consiste na propagação de ondas elásticas através de variações de pressão. Este é um teste de
carregamento dinâmico, distinto dos de carregamento estáticos ou quase-estáticos, onde
normalmente as fibras de HM apresentam melhores características que os reforços híbridos.
Neste caso verificou-se que o reforço híbrido de Carbono/E-glass, apresentou uma resistência à
compressão superior aos laminados só com reforço de carbono e a deformação máxima é
significativamente superior para o laminado híbrido em relação aos laminados de fibra de
carbono e fibra de vidro (29).
Um outro exemplo de hibridação de reforços em materiais compósitos é demonstrado por W.
Hutenbach et al, (30), num estudo realizado na Universidade Técnica de Dresden, onde se
desenvolveu uma técnica para tecer fibras de reforço em três dimensões. Neste estudo pretende-
se conceber reforços para aplicação em estruturas sujeitas a impactos. Combinaram-se três tipos
de reforço, um deles apenas composto por fibras de vidro e duas de fibras híbridas: a primeira
de fibra de vidro com fibra de aramida e a segunda com fibras de vidro e fibras de polietileno.
Os três tipos de tecido são embebidos com resina epoxídica e sujeitos a testes de impacto. O
objectivo é caracterizar o comportamento de cada reforço a cargas dinâmicas e tipos de ruptura.
Analisando a Figura 7, (30), é possível ver a extensão do dano para cada caso. É possível
observar a que para a fibra de vidro e para a fibra híbrida de vidro e aramida a extensão da
delaminação é inferior que no caso da fibra de vidro com fibra de polietileno. No caso de
aplicação das fibras de polietileno, mesmo estas apresentando um módulo de Young superior, a
delaminação é maior, verificando-se que para fibras de módulos inferiores a extensão do dano
pós impacto é menor (30).
Estes são exemplos onde a combinação de fibras com propriedades inferiores pode ter
resultados surpreendentes e positivos para as aplicações desejadas. Ao aplicarem-se cargas
dinâmicas os materiais estão sujeitos a solicitações muito complexas. Deste modo, quando
pensamos nos materiais para formar um híbrido é necessário saber quais os esforços
predominantes que serão aplicados neste material.
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a)
b)
c)
Figura 7 – Imagens de C-Scan onde se pode ver a propagação da delaminação. a) Fibra de vidro; b) fibra de
vidro e aramida; c) fibra de vidro e polietileno. (Imagem retirada de: W. Hutenbach et al, Hybrid 3D-textile
reiforced composites with tailored property profiles for crach and impact applications).
Sandrine Petit et al, (31), leva a cabo um estudo de impacto em amostras de CFRP com escudo
térmico de Norcoat Liège. Como foi referido anteriormente, o Norcoat Liége é um material
composto de cortiça e resina fenólica que foi desenvolvido para escudo térmico. O escudo é
colocado sobre amostras de dois tipos de carbono, de alta resistência (HS) e de elevado módulo
(HM). Os resultados demonstram que as amostras com escudo térmico de cortiça suportam
níveis de energia de impacto maiores do que as amostras só de carbono, o que demonstra uma
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tolerância ao dano maior. Verifica-se também que a delaminação ocorre mais tarde no caso das
amostras com escudo térmico, o que revela a capacidade de absorção de energia por parte do
escudo de cortiça. Após impacto, através de ensaios C-Scan observou-se que a área afectada
pelo impacto em provetes com escudo térmico é maior quando se inicia a delaminação, embora
as amostras de carbono tenham sido impactadas com forças menores. Em conclusão o uso do
escudo térmico revelou-se eficaz na absorção de energia revelando uma boa tolerância ao dano.
As delaminações nas amostras com escudo só ocorrem para níveis de energia elevados e, muito
superiores ao das amostras sem escudo (Figura 8, (31)).
Figura 8 – Curvas de força versus tempo de amostras sujeitas a impacto para vários níveis de energia. a)
Painéis de Carbono HM sem escudo térmico, b) Painéis de Carbono HM com escudo térmico (Imagens
retiradas de: S. Petit et al, Impact andcompression after impact experimental study of composite laminate with
cork thermal shield).
Ao pensarmos em carbono/epoxy e cortiça estamos a combinar dois materiais de propriedades
muito distintas. O carbono/epoxy é um material de excelência para aplicações de alta
performance, como na indústria aeroespacial onde os requisitos são bastante elevados e, onde os
factores resistência, tolerância ao dano e redução de peso e custo são imperativos. Porém a
cortiça é um material que não oferece grande resistência estática, mas apresenta baixo custo e
peso, propriedades visco elásticas e uma capacidade de recuperação de deformação notável.
Deste modo, face às características destes materiais, este estudo visa criar um novo material que
sobreponha as propriedades de ambos.
20
3. Metodologia Experimental
3.1. Processo de fabrico
O carácter deste trabalho assenta essencialmente em ensaios experimentais de várias naturezas,
de modo a compreender o mais aprofundado possível o comportamento mecânico deste novo
material de carbono/epoxy e cortiça. O carbono/epoxy é usado sob a forma de pré-impregnado
unidireccional e a cortiça sob a forma de granulados. Para cada estudo distinto, o pré-
impregnado de carbono é cortado com a geometria pretendida e depositado em camadas
alternadas com os grânulos de cortiça. Após os vários empilhamentos, as amostras são curadas
em autoclave com saco de vácuo seguindo o processo de cura recomendado para o prepreg.
O trabalho experimental pode ser divido em duas partes: uma parte de caracterização estática, à
flexão e tracção e, outra de caracterização dinâmica, de ensaios de impacto e fadiga. Com este
estudo pretende-se comparar o comportamento de laminados de carbono/epoxy convencionais
com outros com grânulos de cortiça, procurando avaliar as vantagens e desvantagens da
aplicação deste material natural conjuntamente com um material de alta performance no uso
aeroespacial.
3.1.1. Materiais
Para o fabrico de todos os provetes deste estudo foi utilizado um pré-impregnado da marca
SEAL®, de referência Texipreg HS 160 REM. Este prepreg é formado de fibras de carbono
unidireccionais de alta resistência, HS-high strengh (T300), de gramagem 160g/m2, embebidas
numa matriz epoxídica modificada (REM). As características deste material e do compósito
resultante encontram-se descritas no Anexo 1.
O granulado de cortiça é outro dos materiais utilizados na construção das amostras. Para este
estudo foram usados dois tipos de granulados de dimensões distintas. Os granulados são
diferenciados pela indústria através de uma sigla com dois números. O primeiro faz referência à
qualidade da cortiça, ou seja, a origem, e o segundo número relaciona-se com o calibre do
granulado. De modo a compreender melhor as dimensões dos granulados usados, foram obtidas
Metodologia Experimental
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21
imagens ampliadas de uma amostra de cada um dos tipos, usando uma lupa existente no Centro
de Óptica da Universidade da Beira Interior. Posteriormente, através de um software de análise
microestrutural obtiveram-se as dimensões dos grânulos e, a média do tamanho e da área de
cada granulado de cortiça (Figura 9). O granulado de menor dimensão, ao qual denominamos de
granulado fino, apresenta um grânulo de tamanho médio 0,54mm e área de 0,21mm2. O
granulado maior, ao qual se dá a denominação de granulado médio, tem uma dimensão média
de grânulo de 0,9mm e área de 0,64mm2.
a) b)
Figura 9 – Imagens dos tipos de granulado de cortiça fotografados com recurso a uma lupa com ampliação de
64x. a) granulado fino, 0.54mm, b) granulado médio, 0.9mm
Para provetes onde o prepreg é empilhado conjuntamente com grânulos de cortiça, foi também
usada resina epoxy da marca Sicomin®, e referência SR 1500, assim, como o endurecedor da
mesma marca e referência SD 2503 Esta matriz foi usada para embeber os grânulos de cortiça,
promovendo uma melhor adesão entre o granulado e o prepreg.
3.1.2. Parâmetros de estudo
O processo de fabrico das amostras é idêntico para todos os tipos de ensaio. Consiste no
empilhamento de várias camadas de pré-impregnado a 0º. Consoante o teste, e de modo a
cumprir as normas da ASTM (American Society for Testing and Materials), a geometria e
espessura pretendida é diferente, o que leva a maior ou menor quantidade de camadas, como se
verá adiante. As variáveis em estudo são a granulometria da cortiça e o tipo de empilhamento,
ou seja, a colocação do granulado de cortiça em diferentes posições.
Metodologia Experimental
_____________________________________________________________________________
22
Realizaram-se dois tipos de empilhamento para o estudo estático do material. Em ambos os
empilhamentos, o número total de camadas de pré-impregnado é igual, variando apenas o seu
posicionamento. O primeiro, empilhamento A, tem duas camadas de cortiça, enquanto o
empilhamento B dispões apenas uma camada de cortiça central (Figura 10).
a)
b)
Figura 10 – Tipos de empilhamento usados nas amostras para ensaios estáticos. a) empilhamento A, b)
empilhamento B.
3.1.3. Fabrico e processo de cura em autoclave
Para o fabrico de materiais compósitos de alta performance são usados sistemas de cura
controlados, com pressão e temperatura regulados e especificados para cada material. Neste
trabalho, foi usada uma autoclave de pequenas dimensões, disponível no Departamento de
Engenharia Electromecânica da UBI, de modo a uniformizar o processo de fabrico dos provetes
necessários para os ensaios experimentais (Figura 11). Para o processo de cura usou-se o ciclo
recomendado para o pré-impregnado Texipreg HS 160 REM (Figura 12).
a) b)
Figura 11 – a) Autoclave e Prensa, b) Pormenor da autoclave
Metodologia Experimental
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23
Figura 12 – Processo de cura recomendado para o pré-impregnado Texipreg HS 160 REM (pressão e
temperatura usadas ao longo do tempo de cura)
Para o fabrico das amostras para cada ensaio, procedeu-se ao corte do prepreg com as
dimensões associadas a cada estudo procedendo-se, em seguida, ao empilhamento em camadas
sempre a 0º (Figura 13, a)). Nos provetes de carbono e cortiça, é usada uma fina camada de resina
epoxy, colocando sobre esta os grânulos disposto de modo a formar uma fina camada de cortiça
(Figura 13, b)). Foram feitos provetes com e sem cortiça para os distintos empilhamentos (Figura
13, c) e d)).
O saco de vácuo é feito de um plástico próprio para alta temperatura, onde se dispõe o tecido de
Teflon ®, evitando, assim, que as amostras fiquem coladas ao saco. Depois, a posição de cada
provete é delineada com tecido absorvente que serve para acumular os excessos de resina
durante o processo de cura (Figura 13, e) e f)). Por fim o saco é fechado por colagem a quente.
O vácuo é efectuado colocando um tubo na parte superior que se liga posteriormente a uma
bomba de vácuo (Figura 13, g)). O saco é colocado, então, dentro da autoclave e ligado à bomba
de vácuo. Fecha-se a autoclave e liga-se o sistema de pressão e temperatura para efectuar o ciclo
de cura que demora aproximadamente duas horas. Após a cura, o tecido absorvente ao redor das
amostras encontra-se impregnado de resina (Figura 13, h)).
O processo de fabrico com autoclave é eficiente para uniformização dos parâmetros de fabrico,
produzindo amostras de alto desempenho e baixo peso. O vácuo no saco é importante na
eliminação da resina em excesso que não oferece por si só mais resistência, mas aumenta o peso
se não for retirada.
Tempo (min)
Pre
ssã
o(b
ar)
Te
mp
era
tura
(ºC
)
0 50 100 150-1
1
3
5
7
0
50
100
150Pressão (bar)
Temperatura (ºC)
Metodologia Experimental
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24
a) b)
c) d)
e) f)
g) h)
Figura 13 – Etapas do processo de fabrico das amostras. a) Amostras de prepreg unidireccional, b) processo de
fabrico do provetes de prepreg e cortiça, c) fabricação do empilhamento tipo B com o granulado médio, d)
empilhamento tipo A com granulado fino, e) fabrico do saco de vácuo, f) colocação das amostras no saco de
vácuo, g) pormenor do saco de vácuo fechado, h) Saco de vácuo pós cura.
Metodologia Experimental
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25
3.2. Ensaios de caracterização estática
Inicialmente procedeu-se a uma caracterização estática com recurso a ensaios de flexão em três
pontos e tracção. Este ensaios têm o objectivo de caracterizar estaticamente o material e retirar
desses ensaios a melhor configuração a aplicar nos ensaios dinâmicos. Ao estudar o
comportamento do material à flexão e à tracção, é possível definir quais os parâmetros a
escolher para inserir nos ensaios de impacto e fadiga, respectivamente.
3.2.1. Ensaios de flexão em três pontos
i. Descrição da metodologia
Os ensaios de flexão em três pontos têm o objectivo de caracterizar mecanicamente o material,
de modo a compreender o seu comportamento para este tipo de solicitação.
A realização dos ensaios foi regida pela norma da ASTM D790-03: Standard Test Methods for
Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Isulating Materials (32) O
actuador e os suportes devem ter formas cilíndricas de modo a evitar falhas por concentração de
tensões, e o raio do actuador deve ter no mínimo 3,2 mm (Figura 14).
Figura 14 – Representação esquemática de ensaios de flexão em três pontos
Através da aplicação de uma carga à flexão, o material flecte sendo sujeito a cargas de
compressão na superfície em contacto com o actuador e de tracção na superfície inferior.
Através da deflexão do material e da força que este suporta é possível calcular a tensão directa
Metodologia Experimental
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26
associada à flexão, 𝜎𝑓 , (Equação 7), a extensão, 𝜖𝑓 , (Equação 8) e o módulo de elasticidade, 𝐸𝐵 ,
(obtido pelo método da tangente) (Equação 9).
Equação 7 𝝈𝒇 =𝟑𝑷𝑳
𝟐𝒃𝒅𝟐
Equação 8 𝝐𝒇 =𝟔𝑫𝒅
𝑳𝟐
Equação 9 𝑬𝑩 =𝑳𝟑𝒎
𝟒𝒃𝒅𝟑
P = Carga aplicada (N);
D = Deflexão máxima no centro da amostra (mm);
L = Distância entre apoios (mm);
b = largura da amostra (mm);
d = espessura da amostra (mm).
m = Declive da tangente da zona elástica
ii. Geometria e caracterização das amostras
A geometria dos provetes é escolhida seguindo também requisitos referenciados na norma
ASTM D790. A espessura da amostra não pode exceder a largura da mesma e a distância entre
apoios deve ser pelo menos dezasseis vezes superior à largura (Equação 10).
Equação 10 𝟏𝟔 <𝑳
𝒅< 60
A geometria e caracterização das amostras segue as disposições indicadas na Tabela 1.
Metodologia Experimental
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27
Tabela 1 – Geometria das amostras sujeitas a ensaios de flexão em três pontos
Amostras Espessura d
(mm)
Largura b
(mm)
Vão L
(mm)
L/d
Carbono [0º10] 1,56 25 80 51,3
Carbono e granulado fino
Empilhamento A [0º3/cortiça/0º2]s 1,71 25 80 48,2
Carbono e granulado fino
Empilhamento B [0º5/cortiça]s 1,66 25 80 46,8
Carbono e granulado médio
Empilhamento A [0º3/cortiça/0º2]s 2,20 25 80 41
Carbono e granulado médio
Empilhamento B [0º5/cortiça]s 1,95 25 80 36,4
iii. Equipamento
Os testes de flexão em três pontos foram realizados na Universidade da Beira Interior numa
máquina Zwick 1435 de accionamento electromecânico. Este equipamento possui uma célula de
carga de 5kN, tendo sido usado um sistema de suporte dos provetes com um raio de 5mm; o raio
do actuador, com geometria hemi-esférica, é de 10mm. A velocidade do actuador ré regulada
pelo software de comando da máquina (Zwick V 5.43.), tendo sido escolhida uma razão de
avanço de 5mm/min, de acordo com as recomendações da norma.
Figura 15 – Equipamento de ensaios de flexão estática ZWICK 143
Metodologia Experimental
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28
3.2.2. Ensaios à tracção
i. Descrição da metodologia
Neste tipo de ensaio pretende-se quantificar as propriedades à tracção do material. A realização
dos ensaios foi regida pela norma da ASTM D3039/D 3039M–00: Standard Test Method for Tensil
Properties of Polymer Matrix Composites Materials (33). Nesta constam todos os requisitos para
ensaios de tracção em materiais de matriz polimérica.
O objectivo centra-se na determinação da tensão última à tracção, 𝜎𝑢𝑙 , (Equação 11), assim como
da extensão do material e seu módulo elástico. A extensão é medida através de um extensómetro
de marca Instron, referência 1620-602 e extensão máxima de 2,5m, que se coloca na amostra
para cada ensaio. Para obter o módulo de elasticidade à tracção, 𝐸𝑐 , calcula-se o declive da zona
elástica da curva Tensão-Extensão (Equação 13). Esta curva é traçada com os valores de tensão
calculados através da força e da extensão medida pelo extensómetro.
Equação 11 𝝈𝒖𝒍 =𝑷𝒎𝒂𝒙
𝑨
Equação 12 𝑨 = 𝒃.𝒅
Equação 13 𝑬𝒄 =∆𝝈
∆𝝐
Pmax = Força máxima antes da ruptura (N);
A = Área (mm2).
b = Largura da amostra (mm);
d = Espessura da amostra (mm).
Metodologia Experimental
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29
ii. Geometria e caracterização das amostras
Os ensaios de tracção em compósitos exigem algumas cautelas especiais. Como é óbvio, os
provetes necessitam de ser bem fixados, o que é feito através de amarras hidráulicas com
pressão de aperto ajustável. No entanto, ocorre por vezes o esmagamento do provete na zona de
encaixe com a amarra. De modo a evitar esta possibilidade, colocam-se pedaços de metal (tabs)
nas extremidades do provete para aumentarem a resistência ao esmagamento e distribuírem as
tensões resultantes do aperto.
Assim sendo o requisito de geometria dos provetes é condicionado pelos dimensões dos tabs, já
que o comprimento mínimo da amostra deve ser igual à soma do comprimento dos tabs, mais
duas vezes a largura do provete, mais o comprimento da zona central de ensaio. As dimensões
recomendadas para fibras unidireccionais são:
Largura b (mm) Comprimento L
(mm) Espessura t (mm)
Comprimento do
tab (mm)
Espessura do tab
(mm)
15 250 1 56 1.5
Para o presente trabalho, usaram-se tabs feitos em alumínio com uma espessura de 3mm, pois
oferecem uma maior resistência que os de 1,5mm inicialmente utilizados, tendo estes últimos
sido esmagados aquando do accionamento das amarras (Figura 16 – Pormenor dos tabs e
provetes usados nos ensaios de tracção). Os tabs foram também chanfrados para evitar a
concentração de tensões na transição com a superfície do provete.
Figura 16 – Pormenor dos tabs e provetes usados nos ensaios de tracção
Metodologia Experimental
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30
Tabela 2 - Geometria das amostras sujeitas a ensaios de tracção estática
Amostras Espessura
d (mm)
Largura
b (mm)
Comprimento
L (mm)
Espessura
do tab (mm)
Comprimento
do tab (mm)
Carbono [0º10] 1,48 15 80 3 55
Carbono e granulado fino
Empilhamento A
[0º3/cortiça/0º2]s
1,57 15 80 3 55
Carbono e granulado fino
Empilhamento B
[0º5/cortiça]s
1,53 15 80 3 55
Carbono e granulado médio
Empilhamento A
[0º3/cortiça/0º2]s 1,69 15 80 3 55
Carbono e granulado médio
Empilhamento B
[0º5/cortiça]s
1,6 15 80 3 55
iii. Equipamento
Os ensaios à tracção das diferentes amostras foram realizados na máquina de ensaios mecânicos
universal Instron 1341, instalada na Universidade da Beira Interior. Este equipamento possui
uma célula de carga com um limite de 100kN ou 50kN, consoante se considere um
carregamento estático ou dinâmico. O comando deste equipamento é feito com recurso a um
controlador digital e softwares fornecidos pelo fabricante, Fast Track 8800 e Sax V6.5. Com
estes é possível escolher o modo de carregamento e a velocidade do actuador. Para os ensaios
realizados foi efectuado um carregamento linear com velocidade de 1mm/min.
Figura 17 – Máquina universal de ensaios INSTRON 1341 e sistema de controlo associado.
Metodologia Experimental
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31
3.3. Ensaios de caracterização dinâmica
3.3.1 Ensaios de fadiga
i. Descrição da metodologia
Este tipo de ensaio é comummente usado na previsão de vida de componentes fabricados em
materiais compósitos. A norma que regue os requisitos de ensaio em materiais compósitos é a
ASTM 3479/D 3479M-96: Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix
Composites Materials (34).
O carregamento cíclico necessário para a fadiga foi obtido sob a forma de uma onda sinusoidal
de amplitude constante. A tensão máxima limite é obtida através de ensaios de tracção estática.
A partir desta, e tendo em vista a obtenção de um diagrama típico S-N (i.e., ciclos de
carregamento até à ruptura do material em função do nível de tensão aplicada), consideraram-se
4 níveis de carregamento: 90%, 80%, 75% e 60%. Estes níveis são uma percentagem da tensão
limite admissível pelo material em condições de carregamento estático.
Considerou-se para o presente trabalho que os ensaios que evidenciaram uma vida à fadiga
superior a 106 ciclos sem ocorrência de ruptura da amostra correspondiam a uma condição de
vida infinita. Para cada nível de tensão e parâmetro em estudo efectuaram-se sempre, no mínimo
cinco ensaios, tal como recomendado pela norma.
ii. Geometria e caracterização das amostras
A geometria dos provetes segue a norma ASTM D3039/D 3039M-00, também usada para os
ensaios estáticos de tracção. Deste modo os provetes para ensaios de fadiga apresentam as
mesmas dimensões que os usados nos ensaios de tracção estática, tendo sido utilizados o mesmo
tipo de tabs.
Neste estudo apenas são usados dois tipos de amostras: provetes com dez camadas
unidireccionais de carbono e provetes de carbono/cortiça de granulometria fina com o
empilhamento tipo B. Na Tabela 3 apresentam-se as dimensões de cada tipo de provete.
Metodologia Experimental
_____________________________________________________________________________
32
Tabela 3 - Geometria das amostras sujeitas a ensaios de fadiga
Amostras Espessura
d (mm)
Largura b
(mm)
Comprimento
L (mm)
Espessura
do tab (mm)
Comprimento
do tab (mm)
Carbono [0º10] 1,48 15 220 3 55
Carbono e granulado fino
Empilhamento B [0º5/cortiça]s 1,65 15 220 3 55
iii. Equipamento
Utilizou-se uma máquina de ensaios universal Instron 1341, a mesma usada para os ensaios de
tracção estática anteriormente descritos. Usando o software de controlo deste equipamento
definiu-se um carregamento recorrendo a uma onda sinusoidal com amplitude constante, razão
de tensões R=0,1 e a uma frequência de 6Hz.
3.3.2 Ensaios de impacto de baixa velocidade
i. Descrição da metodologia
Os ensaios de baixa velocidade avaliam a resistência do material sujeito a impacto por queda de
uma massa por acção da gravidade. Os testes são feitos para vários níveis de energia, variando a
altura da queda da massa. A resistência da amostra depende da sua geometria, da geometria e
massa do impactor, força e energia de impacto e condições de fronteira. Nesta investigação
usaram-se três níveis de energia: 5, 10 e 15J. Após impacto é necessário quantificar o dano
usando métodos não destrutivos ou seccionando os provetes e analisando a extensão do dano.
Este tipo de ensaios seguiram a norma ASTM D7136/D 7136M-05: Standard Test Method for
Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight
Impact Event (35) . A fixação dos provetes pode ser feita de dois modos: em quatros pontos
através de pinças ou usando um suporte superior fixo por quatro parafusos com janela de
impacto pré-definida. Para o presente estudo utilizou-se o segundo modo de fixação, o qual está
representado na Figura 18, com uma janela de impacto de 10mm x 7,5mm.
Metodologia Experimental
_____________________________________________________________________________
33
Figura 18 – Representação da fixação para os ensaios de impacto, com suporte superior e quatro parafusos de
fixação.
ii. Geometria e caracterização das amostras
As amostras de resistência ao impacto têm medidas standard bem definidas pela norma. Devem
ser rectangulares (150mm x 100mm) e ter uma espessura entre 4 e 6mm (Figura 19). Para
alcançar o objectivo de 5mm de espessura foram empilhadas 28 camadas a 0º nas amostras de
prepreg ; nas amostras com granulado de cortiça usou-se o mesmo número de camadas e o
empilhamento tipo A com a seguinte sequência [0º4/cortiça/0º10] (ver especificações das
amostras no Anexo 2).
Figura 19 – Dimensões das amostras utilizadas nos ensaios de impacto.
Metodologia Experimental
_____________________________________________________________________________
34
iii. Equipamento
Nos ensaios de resistência ao impacto usou-se uma máquina de queda de massa IMATEK série
10 disponível no Instituto Politécnico de Tomar (Figura 20). Este equipamento controla a altura
de queda, a velocidade e a energia de impacto que varia entre 4 e 882 J. O carrinho de queda
tem uma massa de 3,005kg e o impactor um diâmetro de 20mm. A célula de carga tem
capacidade de leitura de forças entre ± 60kN. O software apresenta capacidade de amostragem
de 1,25×106 por segundo, permitindo adquirir informação sobre o tempo, aceleração,
velocidade, deslocamento, força e energia de impacto. Com todos estes parâmetros é possível
construir qualquer curva de resposta do material e obter toda a informação sobre o ensaio.
Figura 20 – Máquina de ensaios de impacto IMATEK e software de aquisição de dados
35
4. Análise e discussão de resultados _____________________________________________________________________________
4.1 Características à Flexão
Este trabalho iniciou-se com uma análise das propriedades estáticas das várias amostras para
provetes com e sem cortiça, onde os parâmetros em estudo foram os mesmos: granulometria da
cortiça, fina ou média, e empilhamento, A ou B.
Em primeiro lugar, foram efectuados ensaios de flexão em três pontos para provetes
unidireccionais de carbono/epoxy e carbono/epoxy com cortiça. A Tabela 4 compila a
informação das tensões de ruptura média e do módulo elástico médio, obtidos para os cinco
tipos de material. Apresentam-se, também, as diferenças percentuais verificadas nos valores
relativos a estes parâmetros comparando todas as configurações de provetes com e sem cortiça.
Tabela 4 – Valores médios da tensão de ruptura e módulo elástico. Relação percentual entre as amostras com e
sem granulados de cortiça
Amostras σrmed
[MPa]
Δσr
[%]
Efmed
[GPa]
ΔEf
[%]
Carbono [0º10] 1628,0 - 112,9 -
Carbono e granulado fino
Empilhamento A [0º3/cortiça/0º2]s 1316,3 -19,8 106,0 -7,9
Carbono e granulado fino
Empilhamento B [0º5/cortiça]s 1199,0 -26 104,2 -6
Carbono e granulado médio
Empilhamento A [0º3/cortiça/0º2]s 902,2 -44,5 88,0 -12
Carbono e granulado médio
Empilhamento B [0º5/cortiça]s 583,7 -64 73,0 -26,6
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
36
Analisando a tabela de resultados verificam-se perdas de 19,8 e 26% na tensão limite nas
amostras com granulado de cortiça fino, sendo as perdas mais significativas para o caso das
amostras com granulado médio, onde se obtém uma redução de 44,5 a 65%, consoante a
localização da camada de cortiça.
A influência da presença da cortiça nos laminados manifesta-se, também, através de uma
diminuição dos valores de módulo elástico, verificando-se, novamente, uma diminuição mais
acentuada para as amostras construídas com granulado de cortiça médio, entre 12 e 26,6%,
enquanto que nas amostras de grânulos finos as perdas andam entre os 6 e 7,9%, consoante a
localização da camada de cortiça.
Outro parâmetro em estudo é o empilhamento, que distingue a colocação do granulado de
cortiça entre as camadas de pré-impregnado. Fazendo a análise entre o mesmo tipo de grânulo,
para o caso do granulado fino, verifica-se que o tipo de empilhamento tem uma influência
menor que no caso do granulado médio. Observando o Gráfico 1 vê-se uma ligeira diminuição
da tensão de ruptura para o caso do empilhamento B (Cf5 a Cf8). Existe uma diminuição de
cerca de 9% do valor da tensão de ruptura entre os dois tipos de empilhamento. No caso do
Gráfico 2, referente ao granulado médio, a perda entre os dois tipos de empilhamento é maior,
concretamente o empilhamento tipo B apresenta uma perda de 35% em relação ao tipo A.
Gráfico 1 - Curva tensão-deslocamento para amostras de granulado fino com os dois tipos de empilhamento A
e B. (Cf1 a Cf4 – Emp. A e Cf5 a Cf8 – Emp. B)
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Cf1
Cf2
Cf3
Cf4
Cf5
Cf6
Cf7
Cf8
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
37
Gráfico 2 - Curva tensão-deslocamento para amostras de granulado médio com os dois tipos de empilhamento
A e B. (Cm1 a Cm4 – Emp. A e Cm5 a Cm8 – Emp. B)
Comparando os resultados de cada granulado com os laminados sem cortiça, observa-se, no
caso das amostras de granulado fino, uma diminuição de 20% na tensão de ruptura para o
empilhamento tipo A, aumentando para 45% no caso das amostras de granulado médio (Gráfico
3).
Já para o empilhamento tipo B, comparando novamente com os provetes sem cortiça, ambos os
tipos de granulado apresentam maiores perdas nos valores de tensão de ruptura, sendo esta é
bastante significativa para o caso do granulado médio. Concretamente, verifica-se uma
diminuição na ordem dos 26% nas amostras com granulado de cortiça fino e de 64% nas
amostras com granulado de cortiça médio (Gráfico 4).
Face aos resultados obtidos, de um modo geral, o granulado de cortiça fino apresenta menores
perdas em ambos os empilhamentos propostos. Comparando os dois tipos de empilhamento,
verifica-se que o empilhamento A é o que apresenta uma melhor configuração para
carregamento à flexão.
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Cm1
Cm2
Cm3
Cm4
Cm5
Cm6
Cm7
Cm8
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
38
Gráfico 3 – Curva tensão-deslocamento de comparação entre o pré-impregnado e as amostras de
empilhamento A para os dois tipos de granulados.
Gráfico 4 - Curva tensão-deslocamento de comparação entre o pré-impregnado e as amostras de
empilhamento B para os dois tipos de granulados.
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 5 10 150
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Carbono
Cf [3/cf/2]s
Cm [3/cm/2]s
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 5 10 150
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Carbono
Cf [5/cf/5]
Cm [5/cm/5]
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
39
4.2 Características à Tracção
Para os ensaios de tracção estática procedeu-se de forma análoga aos ensaios de flexão.
Ensaiaram-se provetes unidireccionais de carbono/epoxy e carbono/epoxy com cortiça. O
objectivo centra-se na comparação das tensões de ruptura e módulo elástico à tracção entre os
provetes com e sem cortiça.
Na Tabela 5 observam-se todos os valores obtidos para cada tipo de amostra, efectuando-se uma
comparação percentual entre o prepreg e as amostras com granulados de cortiça para os dois
tipos de empilhamento.
Tabela 5 - Valores médios da tensão de ruptura e módulo elástico à tracção. Relação percentual entre as
amostras com e sem granulados de cortiça
Amostras σrmed
[MPa]
Δσr
[%]
Etmed
[GPa]
ΔEt
[%]
Carbono [0º10] 1841,4 - 137,6 -
Carbono e granulado fino
Empilhamento A
[0º3/cortiça/0º2]s
1382,4 -24,9 134,0 -2,6
Carbono e granulado fino
Empilhamento B [0º5/cortiça]s 1719,7 -6,6 138,2 + 0,4
Carbono e granulado médio
Empilhamento A
[0º3/cortiça/0º2]s
1277,1 -30,6 120,4 -12,5
Carbono e granulado médio
Empilhamento B [0º5/cortiça]s 1407,3 -23,6 135,9 -1,2
A tabela demonstra que amostras com granulado de cortiça médio apresentam valores de tensão
de ruptura 23,6 a 30,6% inferiores aos dos laminados sem cortiça, embora para as amostras de
granulado fino apresentem perdas entre 6,6 a 24,9%. Ao analisar as variações de módulo
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
40
elástico, detecta-se novamente um efeito mais evidente da cortiça com maior granulometria, já
que os provetes com granulado médio apresentam valores inferiores, na ordem dos -1,2 e -
12,5% em relação ao material sem cortiça. No caso das amostras de granulado fino, regista-se
um ganho mínimo de 0,4%, no módulo elástico no caso do empilhamento B, e uma diminuição
de 2,6% nas de empilhamento A.
Analisando o Gráfico 5, observa-se para qualquer um dos empilhamentos usados, as amostras
com granulado de cortiça fino (Cf) apresentam uma tensão limite de ruptura superior à das
amostras de granulado médio (Cm). Dentro do mesmo granulado, o empilhamento A
demonstra-se um comportamento inferior à tracção que o empilhamento B, com perdas de 9,3 e
19,6%, para o granulado médio e granulado fino, respectivamente.
Em termos de granulometria da cortiça, o granulado fino apresenta novamente perdas inferiores
em relação aos laminados sem cortiça, verificando-se mesmo grande similaridade entre os seus
módulos elásticos. O empilhamento tipo B demonstra propriedades à tracção superiores ao
empilhamento tipo A para os dois tipos de granulado.
Gráfico 5 - Curva tensão-extensão de comparação entre o pré-impregnado e as amostras de empilhamento A e
B para os dois tipos de granulados.
Extensão %
Te
nsã
oM
Pa
0 0.5 1 1.5 20
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Carbono
Cf B [5/cf/5]
Cm B [5/Cm/5]
Cf A [3/cf/2]s
Cm A[3/cm/2]s
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
41
4.3 Características à fadiga
Após a realização dos ensaios de tracção estática, escolheu-se a melhor configuração a ser
submetida aos ensaios de fadiga. Assim, optou-se pelo tipo de empilhamento B com granulado
de cortiça fino, uma vez que este levou a valores de tensão de ruptura mais próximos dos
valores obtidos para o carbono/epoxy sem cortiça.
Todos os níveis de carregamento usados para os ensaios de fadiga foram estabelecidos a partir
do valor da tensão de ruptura obtida em condições de carregamento estático. Assim, os ensaios
foram iniciados para 90% da carga limite de ruptura, embora posteriormente, devido a
dificuldades no carregamento estático, se efectuassem essencialmente carregamentos a
80%,75% e 60% da carga limite.
Tabela 6 – Valores de carregamento efectuados para os ensaios de fadiga
100% 90% 80% 75% 60%
Fmax kN 40 36 32 30 24
Fmin kN 4 3,6 3,2 3 2,4
Fmed kN 22 19,8 17,6 16,5 13,2
Amplitude kN 18 16,2 14,4 13,5 10,8
Tensão média
Carbono 1810,4 1629,3 1448,3 1357.8 1086,2
Tensão média
Carbono/Cortiça 1621,1 1459 1296,9 1215,8 972,6
Foram realizados no mínimo três ensaios para cada nível de carregamento. No carregamento a
60% nenhuma das amostras partiu até ao número de um milhão de ciclos, tendo evidenciado um
comportamento coerente, dispensando a realização de ensaios adicionais. Para carregamentos a
75% e 80%, obtiveram-se alguns resultados inconsistentes e a ocorrência de fracturas junto aos
tabs. Nestes casos, os resultados foram rejeitados e repetiram-se os ensaios, obtendo no mínimo
cinco ensaios válidos dos quais os três mais próximos foram considerados. No Anexo 5 é
possível ver todos os provetes que foram ensaiados.
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
42
O Gráfico 6 apresenta a curva S-N das amostras de carbono/epoxy. Neste verifica-se que para
um carregamento de 75% as amostras suportaram um número médio de 146 mil ciclos e, nos
carregamentos a 80% o número médio foi 103 mil ciclos.
Nos ensaios de fadiga nos provetes de carbono com granulado de cortiça verifica-se também
vida infinita para o carregamento a 60%, tendo todos os provetes suportado um milhão de
ciclos. A 75% e 80% da carga máxima verifica-se o número médio de 389 mil e 124 mil ciclos
respectivamente.
Comparando os valores do número de ciclos para cada nível de tensão em ambos os tipos de
materiais, detecta-se uma ligeira tendência para aumento da vida à fadiga dos provetes com
cortiça. Este facto pode ser observado através do Gráfico 6 que reúne as curvas S-N para os
provetes com e sem cortiça, considerando níveis de tensão adimensionalizados.
Gráfico 6 - Curva S-N de fadiga para os provetes com e sem cortiça
4.4 Características ao Impacto de baixa velocidade
Nos ensaios de resistência ao impacto, pretende-se uma vez mais compreender o
comportamento do carbono/epoxy com granulado de cortiça em comparação com amostras só
de carbono/epoxy. A configuração adoptada para amostras de carbono e granulado de cortiça foi
N.º Ciclos log(N)10
310
410
510
610
70.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1Carbono/Epoxy
Carbono/Epoxy com Cortiça
𝝈
𝝈𝟎
Vida infinita
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
43
a tipo A, mas neste caso com um maior número de camadas de pré-impregnado que nos
restantes ensaios de modo a se alcançar uma maior espessura: [0º4/cortiça/10]s, num total de 28
camadas de prepreg e duas de cortiça mais próximas das faces. Analisaram-se, ainda, os dois
tipos de granulometria.
Da análise dos gráficos de força-deslocamento, para um nível de energia de 5J, verifica-se que o
deslocamento das amostras de carbono com granulado de cortiça é superior ao deslocamento
dos laminados sem cortiça; porém este resultado verifica-se apenas neste nível de energia
(Gráfico 7). Verifica-se, também, que as amostras de prepreg apresentam um valor de força de
impacto superior para o nível de energia mais baixo. Porém, com o aumento da energia de
impacto, essa diferença vai tornando-se cada vez menos significativa, não se notando qualquer
efeito relativo à presença da cortiça. Os gráficos de força-tempo também permitem concluir que
a duração do evento de impacto parece não depender da presença da cortiça, uma vez que os
resultados obtidos são idênticos entre os dois tipos de material e para todos os níveis de energia.
A análise das curvas de energia versus tempo demonstram uma tendência de aumento da energia
absorvida dos provetes com cortiça (Gráfico 8 e 9). De facto, a energia absorvida é superior para
as amostras com grânulos de cortiça médios, com um valor máximo de 6J para o nível de
energia de 10J (Gráfico 8). Os restantes gráficos podem ser consultados nos Anexos 6 e 7.
Gráfico 7 – Curva força-deslocamento para o nível de energia de 5J. Comparação entre o prepreg e os
materiais com dois tipos de granulometria de cortiça
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
C3 5J
Cf3 5J
Cm3 5J
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
44
Gráfico 8 - Curva energia-tempo para o nível de energia de 10J. Comparação entre os provetes com e sem
cortiça
Gráfico 9 - Curva energia-tempo para o nível de energia de 15J. Comparação entre os provetes com e sem
cortiça
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 2 4 6 8 100
2
4
6
8
10
C2 10J
Cf1 10J
Cm3 10J
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 2 4 6 8 100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
C2 15J
Cf2 15J
Cm2 15J
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
45
Outro parâmetro a analisar é a força de impacto em função do tempo. Analisando os Gráfico 10
e 11, relativos às energias de 5J e 10 J respectivamente, observa-se uma ligeira tendência de
amortecimento na resposta do material com a introdução dos grânulos de cortiça, sendo mais
significativo esse amortecimento para o granulado médio. No entanto, este efeito não é tão
notório para o nível de energia mais elevado (Gráfico 12).
Fazendo uma análise mais detalhada destas curvas através da sua ampliação para os diferentes
níveis de energia, é possível detectar a ocorrência do primeiro pico de força para cada caso.
Segundo alguns autores (31), este pico indica o inicio do processo de delaminação típico de
materiais compósitos. Analisando os distintos níveis de energia constata-se que as amostras
híbridas apresentam um atraso no aparecimento deste primeiro pico em relação ao material sem
cortiça, indicando um atraso no início da delaminação (Gráfico 10, 11 e 12). Os restantes gráficos
podem ser consultados nos Anexos 8.
Gráfico 10 - Curva força-tempo para o nível de energia de 5J. Comparação entre o prepreg e os materiais com
duas granulometrias de cortiça. Pormenor dos picos de início de delaminação para os três materiais.
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 1 2 3 4 5 6 7 80
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
C3 5J
Cf3 5J
Cm3 5J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0.2 0.3 0.4
1.5
2
2.5
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
46
Gráfico 11 - Curva força-tempo para o nível de energia de 10J. Comparação entre o prepreg e os materiais
com duas granulometrias de cortiça. Pormenor dos picos de início de delaminação para os três materiais.
Gráfico 12 - Curva força-tempo para o nível de energia de 15J. Comparação entre o prepreg e os materiais
com duas granulometrias de cortiça. Pormenor dos picos de início de delaminação para os três materiais.
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 2 4 60
2
4
6
C2 10J
Cf1 10J
Cm3 10J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 1 2 3 4 5 60
1
2
3
4
5
6
7
8
C2 15J
Cf4 15J
Cm3 15J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0.3 0.4 0.5
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 0.1 0.2 0.3 0.43
4
5
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
47
4.4.1 Extensão do dano pós impacto
A necessidade de quantificar a extensão de dano decorrente do impacto é fundamental para
avaliar o comportamento dos diferentes tipos de materiais. Na sua maioria, os provetes sujeitos
a cargas de impacto não apresentam dano visível, detectando-se, apenas, umas pequenas fendas
na superfície superior para impactos a 15J, ilustradas pelo esquema da Figura 21. Numa
primeira abordagem, tentou-se usar um método não destrutivo recorrendo à análise C-Scan, mas
foi impossível a visualização do dano nas amostras híbridas, pois o granulado de cortiça
absorvia o sinal impedindo a reflexão do impulso.
Figura 21 – Representação esquemática do tipo de fissuração provocada pelo impacto
Deste modo, optou-se por seccionar os provetes impactados e efectuar uma observação da
extensão do dano ao longo do sentido longitudinal e a partir da zona de impacto. Estas
observações foram feitas com recurso a uma lupa com ampliação de 64x, e em alguns casos de
160x, para as distintas amostras.
Observa-se que no interior de todos os provetes existe dano visível a olho nu. Para os ensaios de
5J e 10J realizados nos provetes com granulado de cortiça, a secção mais afastada da zona de
impacto não apresenta dano visível para ambas as granulometrias. No entanto, para os
laminados sem cortiça, detecta-se uma extensão de fissuração até aos limites da amostra. Para os
ensaios de 15J de energia de impacto, o dano estende-se até ao limite de todos os provetes,
embora a fenda observada nas amostras híbridas seja menor.
Outro aspecto interessante prende-se com a descontinuidade verificada na direcção de
propagação da fissura no caso dos provetes com cortiça, em especial nos de maior
granulometria. Este facto parece indicar que a camada de cortiça tem um efeito de obstáculo à
propagação de defeitos resultantes dos eventos de impacto (Figura 22, 23 e 24).
Análise e discussão de resultados
_____________________________________________________________________________
48
Figura 22 – Imagens da propagação da fenda num interior do pré-impregnado para energia de impacto de
10J. Da esquerda para a direita: zona de impacto e zonas adjacente no sentido de dentro para fora.
Figura 23 - Imagens da propagação da fenda num interior do pré-impregnado com granulado de cortiça fino,
para energia de impacto de 10J. Da esquerda para a direita: zona de impacto e zonas adjacente no sentido de
dentro para fora.
Figura 24 - Imagens da propagação da fenda num interior do pré-impregnado com granulado de cortiça
médio, para energia de impacto de 10J. Da esquerda para a direita: zona de impacto e zonas adjacente no
sentido de dentro para fora.
49
5. Conclusões e trabalhos futuros _____________________________________________________________________________
Através dos ensaios de flexão em três pontos conclui-se que a granulometria da cortiça
influencia as propriedades do material. O uso de grânulos maiores reflecte-se numa diminuição
das propriedades mecânicas. O tipo de empilhamento é também preponderante na escolha da
configuração do material, pois para o empilhamento tipo A os resultados obtidos para a tensão
limite foram superiores em 35% aos do empilhamento tipo B. De um modo geral, pode afirmar-
se que existe uma degradação do comportamento à flexão devido à introdução dos grânulos de
cortiça no interior do pré-impregnado.
A análise à tracção evidencia perdas menos significativas nas tensões de ruptura e no módulo
elástico para o caso do empilhamento tipo B. Em termos de tamanho de grânulo, e a exemplo do
ocorrido nos ensaios de flexão, as amostras de granulado fino apresentam um comportamento
superior e muito próximo do material sem cortiça. Em conclusão, a melhor configuração dos
provetes com cortiça face a solicitações à tracção é a que corresponde aos granulados finos com
o empilhamento tipo B.
Os ensaios de fadiga demonstram que os provetes com cortiça têm um ligeiro aumento de
desempenho, tendo atingido um número de ciclos superior para o mesmo nível de carregamento.
Nos ensaios de resistência ao impacto, as amostras de laminados sem cortiça apresentam uma
força de impacto superior para o menor nível de energia de impacto, embora esta tendência se
esvaneça com o aumento deste parâmetro de ensaio. Por outro lado, a duração do evento de
impacto parece não ser grandemente afectada pela presença de cortiça no interior dos
laminados. No entanto, a análise qualitativa das curvas de reposta dos diferentes tipos de
provetes permite concluir que o uso de cortiça confere uma maior capacidade do material se
deformar, tornando a resposta mais suave e com menos picos de oscilação associados a
ressonância. Por outro lado, através dos ensaios de impacto é possível concluir, também, que a
hibridação do carbono/epoxy com granulado de cortiça atrasa o início do processo de
delaminação. Este facto deve-se à capacidade de absorção de energia da cortiça durante o
impacto, uma vez que este se trata de um material naturalmente resiliente.
A extensão do dano provocado por impacto diminui com o uso dos granulados de cortiça,
tendo-se verificado uma menor extensão de fissuração a partir da zona de impacto. Ao mesmo
tempo, verifica-se que a direcção de propagação das fissuras sofre um forte desvio devido à
Conclusões e trabalhos futuros
_____________________________________________________________________________
50
presença da camada de granulado de cortiça no interior dos laminados, pelo que esta poderá
funcionar como obstáculo à propagação de danos provocados por impacto.
Os resultados obtidos por esta investigação experimental demonstram um claro efeito do
tamanho do granulado de cortiça no desempenho do material, o qual poderá sair beneficiado
face a solicitações de carácter dinâmico (impacto e fadiga), mas prejudicado em solicitações de
carácter estático. Assim, seria interessante estender este estudo a laminados de carbono/epoxy
com embebimento de granulados de cortiça de menor dimensão, possivelmente na forma de pós.
A utilização da cortiça sob esta forma permitiria, ainda, melhorar o processo de fabrico dos
provetes, tornando mais homogénea a mistura dos diferentes constituintes do compósito.
Finalmente, a caracterização de dano pós-impacto sairia certamente beneficiada com a
realização de ensaios complementares, designadamente, a obtenção da extensão de dano através
de ensaios não destrutivos apropriados (como análise de raio-x), e a realização de ensaios de
resistência residual, a qual poderia ser obtida, por exemplo, com recurso a ensaios de flexão e de
fadiga.
51
Referências Bibliográficas
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composites for aerospace applications. Materiais 2009, 5th
International Materials Symposium – Recent
Advances in Characterization, Processing, Design and Modelling of Structural and Functional Materials;
SPM; IST – Lisbon, Portugal; 5-8 April 2009.
2. Castro, O. P. Caracterização de estruturas tipo sandwich com aglomerados de cortiça para aplicação
aeroespacial. Dissertação de mestrado, Universidade da Beira Interior; Covilhã, 2008.
3. Jones, Robert M. Mechanics of composites materials.: Taylor & Francis; Virginia, 1998.
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CFRP.: Composites Structures; London, 1989.
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mass impact on plates.: Solids and Structures, Elsevier; Akron, 2007.
8. Davies, G. A. O., Hitchings, D., Wang, J.. Predition of threshold impact energy for onset of
delamination in quasi-isotropic carbon/epoxy composite laminates under low-velocity impact.:
Composites Science and Technology, Elsevier; London, 1999.
9. Luo, R.K., Green, E. R., Morrison, C. J.. Impact damage analysis of composites plates. International
Journal of Impact Engineering, Elsevier; Leicester, 1998.
10. Lopes, C. S., Camacho, P. P., Gürdal, Z., Maimí, P., González, E. V.. Low-velocity impact damage
on dipersed stacking sequence laminates. Part II: Numerical simulations.: Composites Science and
Technology; Delft, Porto and Girona, 2009.
11. Cantwell, W. J., Morton, J.. Geometrical effects in the low velocity impact response of CFRP.:
Composites Structures; London 1989.
12. Cantwell, W. J., Morton, J.. Geometrical effects in the low velocity impact response of CFRP.
Composites Structures, London 1989.
13. Lopes, C. S., Seresta, O., Coquet, Y., Gürdal, Z., Camacho, P. P., Thuis, B.. Low-velocity impact
on dipersed stacking sequence laminates. Part I: Experiments. Delft, Porto and Toulouse : Composites
Science and Technology, 2009.
14. Cantwell, W. J., Morton, J. The significance of damage and defects and their detection in
composites materials: a review. Journal of strain analysis, vol. 27; Lausanne, 1992.
15. Lampman, S. Fatigue and Fracture. s.l. : ASM Handbook, 1996.
16. Schijve, Jaap. Fatigue damage in aircraft structures, not wanted, but tolerated? International Journal
of Fatigue, Elsevier; Deft, 2008.
Referências Bibliográficas
_____________________________________________________________________________
52
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carbon-epoxy laminates from quasi static strength tests by using iso-damage curves.: International
journal of Fatigue, Chasseneuil Cedex, 2009.
18. Mohandesi, J. A., Majidi, B.. Fatigue damage accumulation in carbon/epoxy laminted composites.:
Materials and Design, Elsevier; Tehran, 2008.
19. Ogi, K., Yashiro, S., Takahashi, M., Ogihara,S.. A probabilistic static fatigue model for trnsverse
cracking in CFRp cross-ply laminates. Composites Science and Technology, Matsuyama, 2008.
. Aymerich, F., Priolo, P., Sun, C. T.. Static and fatigue behavior of stitched graphite/epoxy composite
laminates.: Composites Science and Technology, Elsevier; Cagliari and West Lafayette, 2002.
21. Gil, Luis. Cortiça (Produção, Tecnologia e Aplicação:) INETI, Lisboa, 1998.
22. Gibson, Lorna J. Biomechanics of cellular solids:. University of Cambridge Elsevier, 2004.
23. Silva, S. P., Sabino, M. A., Fernandes, E. M., Correlo, V. M., Boesel, L. F., Reis, R. L.. Cork:
properties, capabilites and aplications. s.l. : ASM International, 2005.
24. Reculusa, S., Trinquecoste, M., Dariol, M., Delhaès, P.. Formation of low-density carbon materials
through thermal degradatoin of cork-based composites.:Elsevier, France, 2005.
25. Mano, J. F. Creep-recovery behavior or cork. Braga : s.n., 2006.
26. L. J. Gibson, M. F. Ashby. Cellular solids: structures and properties. Cambridge : Cambridge
University Press, 1997.
27. Ashby, M. F., Bréchet, Y. J. M.. Designing hybrid materials.: Pregamon; Cambridge, 2003.
28. Lee, S. H., Noguchi, H., Cheong, S. K.. Tensile properties and fatigue characteristics of hybrid
composites with non-wovwn carbon tissue.: International Journal of Fatigue; Seoul, 2002.
29. Naik, N. K., Veerraju Ch, Kavala, V. R.. Hybrid composites under high strain rate compressive
loading.: Materials Science & Engineering, Elsevier; Bombay, 2007.
30. Hutenbach, W., Gude, M., Ebert, C.. hybrid 3D-textile reinforced composites with tailored property
profiles for crash and impact applications.: Composite Science and Technology, Elsevier; Dreden, 2008.
31. Petit, S., Bouvet, C., Bergerot, A., Barrau, J. J.. Impact and compression after impact experimental
study of a composite laminate with a cork thermal shield.: Composites Science and Technology, Elsevier;
Toulouse, 2007.
32. 3039M-00, ASTM D3039/D. Standard Test Method for Tensil Properties of Polymer Matrix
Composites Materials.
33. ASTM D3039/D 3039M–00: Standard Test Method for Tensil Properties of Polymer Matrix
Composites Materials
34. ASTM 3479/D 3479M-96: Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix
Composites Materials
35. ASTM D7136/D 7136M-05: Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a
Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event
53
Anexos _____________________________________________________________________________
Anexos
_____________________________________________________________________________
54
ANEXO 1
Ficha técnica do pré-impregnado
Texipreg HS 160 REM
Pre-Preg
Fibra
Tipo Carbono de alta resistência tipo T300
Tecido Unidireccional a 0º
Peso por área g/m2 160 ±4%
Resina
Temperatura de cura ºC 125
Tempo de gelificação min 12 ± 3 a 125 ºC
Prepreg
Conteúdo da resina % 36 ± 3
Peso por área g/m2 250
Conteúdos voláteis % <1 10’ a 150 ºC
Prazo de armazenamento meses 12 a -18 ºC
Anexos
_____________________________________________________________________________
55
Ficha técnica do Compósito resultante
Compósito
(Após cura em autoclave durante 60 min, T=125ºC e P=5bar)
Propriedades físicas
Peso específico g/m2 1,46 ASTM D792
Condutividade térmica ºC 110-120
Propriedades
mecânicas
Resistência à tracção MPa 1700 ASTM D3039
Alongamento de
ruptura
% 1,3 ASTM D3039
Módulo à tracção GPa 150 ASTM D3039
Resistência à flexão Mpa 1400 ASTM D790
Módulo à flexão GPa 130 ASTM D790
Resistência à
compressão
Mpa - ASTM D695
Resistência
interlaminar
Mpa 60 ASTM D2344
Anexos
_____________________________________________________________________________
56
ANEXO 2
Tabela de geometria das amostras de ensaios de impacto
Nível de
Energia
Amostras Dimensões
(mm)
Espessura
(mm)
5 J
Carbono
[0º28]
Com
pri
men
to 1
50m
m x
Lar
gura
10
0m
m
4,57
Carbono e granulado fino
[0º4/cortiça/0º10]s 4,83
Carbono e granulado médio
[0º4/cortiça/0º10]s 5,1
10 J
Carbono
[0º28] 4,41
Carbono e granulado fino
[0º4/cortiça/0º10]s 4,64
Carbono e granulado médio
[0º4/cortiça/0º10]s 4,98
15 J
Carbono
[0º28] 4,3
Carbono e granulado fino
[0º4/cortiça/0º10]s 4,56
Carbono e granulado médio
[0º4/cortiça/0º10]s 4,75
Anexos
_____________________________________________________________________________
57
ANEXO 3
Gráficos referentes aos ensaios estáticos de flexão em três pontos
Gráfico 13 – Curvas Força Deslocamento e Tensão-Deslocamento dos provetes de carbono
Gráfico 14 – CurvaForça Deslocamento dos provetes de carbono e cortiça média para o empilhamento A e B respectivamente.
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 5 10 15 200
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
C1
C2
C3
C4
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 5 10 15 200
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
C1
C2
C3
C4
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Cm1
Cm2
Cm3
Cm4
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Cm5
Cm6
Cm7
Cm8
Anexos
_____________________________________________________________________________
58
Gráfico 3 – Curva Tensão-Deslocamento dos provetes de carbono e cortiça média para o empilhamento A e B respectivamente
Gráfico 4 – Curvas Força-Deslocamento e Tensão-Deslocamento dos provetes de carbono
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Cm1
Cm2
Cm3
Cm4
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Cm5
Cm6
Cm7
Cm8
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 5 10 15 200
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
C5
C6
C7
C8
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 5 10 15 200
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
C5
C6
C7
C8
Anexos
_____________________________________________________________________________
59
Gráfico 5 – Curva Força-Deslocamento dos provetes de carbono e cortiça fina para o empilhamento A e B respectivamente
Gráfico 6 – Curva Tensão-Deslocamento dos provetes de carbono e cortiça fina para o empilhamento A e B respectivamente
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Cf1
Cf2
Cf3
Cf4
Deslocamento mmF
orç
akN
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Cf5
Cf6
Cf7
Cf8
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Cf5
Cf6
Cf7
Cf8
Deslocamento mm
Te
nsã
oM
Pa
0 2 4 6 8 100
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Cf1
Cf2
Cf3
Cf4
Anexos
_____________________________________________________________________________
60
ANEXO 4
Gráficos referentes aos ensaios estáticos de tracção
Gráfico 15 – Curvas Força-Deslocamento e Tensão-Extensão para os provetes de carbono
Gráfico 2 – Curvas Força-Deslocamento e Tensão-Extensão para os provetes de carbono e cortiça fina com empilhamento tipo B
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
5
10
15
20
25
30
35
40
45
TC1
TC2
TC3
TC4
TC5
Extensão %
Te
nsã
oM
Pa
0 0.5 1 1.50
500
1000
1500
2000
TC1
TC2
TC3
TC4
TC5
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tf1
Tf2
Tf3
Tf4
Tf5
Extensão %
Te
nsã
oM
Pa
0 0.5 1 1.50
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Tf1
Tf2
Tf3
Tf4
Tf5
Anexos
_____________________________________________________________________________
61
Gráfico 3 – Curvas Força-Deslocamento e Tensão-Extensão para os provetes de carbono e cortiça fina com empilhamento tipo A
Gráfico 4 – Curvas Força-Deslocamento e Tensão-Extensão para os provetes de carbono e cortiça média com empilhamento tipo B
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tf6
Tf7
Tf8
Tf9
Tf10
Extensão %T
en
sã
oM
Pa
0 0.5 1 1.50
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Tf6
Tf7
Tf8
Tf9
Tf10
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tcm1
Tcm2
Tcm3
Tcm4
Tcm5
Extensão %
Te
nsã
oM
Pa
0 0.5 1 1.50
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Tcm1
Tcm2
Tcm3
Tcm4
Tcm5
Anexos
_____________________________________________________________________________
62
Gráfico 5 – Curvas Força-Deslocamento e Tensão-Extensão para os provetes de carbono e cortiça média com empilhamento tipo A
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tcm6
Tcm7
Tcm8
Tcm9
Tcm10
Extensão %T
en
sã
oM
Pa
0 0.5 1 1.50
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
Tcm6
Tcm7
Tcm8
Tcm9
Tcm10
Anexos
_____________________________________________________________________________
63
ANEXO 5
Tabela de provetes usados nos ensaios de fadiga
Tipo Designação σr [%] N.º Ciclos P
rov
etes
Pre
-im
pre
gn
ad
o d
e
Ca
rbo
no
[0
º10]
F8 90 7208
F9 90 1300
F10 80 102506
F11 80 107181
F12 80 14098
F14 80 2120
F16 80 97830
F1 75 9200
F3 75 31000
F6 75 28814
F7 75 8059
F17 75 243400
F18 75 163700
F20 60 106
F21 60 106
F22 60 106
Pro
vet
es P
re-i
mp
regn
ad
o d
e
Carb
on
o e
Gra
nu
lad
o d
e C
ort
iça
fin
o [
0º1
5/c
f/0º5
]
Fcf1 90 4162
Fcf2 90 5700
Fcf4 90 1034
Fcf7 80 116606
Fcf8 80 15000
Fcf9 80 22900
Fcf10 80 122200
Fcf14 80 134000
Fcf6 75 136700
Fcf7 75 31860
Fcf11 75 416338
Fcf12 75 352600
Fcf13 75 396400
Fcf17 60 106
Fcf18 60 106
Fcf19 60 106
Anexos
_____________________________________________________________________________
64
ANEXO 6
Gráficos força-deslocamento referentes aos ensaios de impacto de baixa-velocidade
Gráfico 16 - Curvas Força-Deslocamento para provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para nível de energia de 5J
Gráfico 17 - Curvas Força-Deslocamento para provete granulado de cortiça médio para o nível de energia de 5J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
1
2
3
4
C1 5J
C2 5J
C3 5J
C4 5J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
1
2
3
4
Cf1 5J
Cf2 5J
Cf3 5J
Cf4 5J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 40
1
2
3
4
Cm1 5J
Cm2 5J
Cm3 5J
Cm4 5J
Anexos
_____________________________________________________________________________
65
Gráfico 18 - Curvas Força-Deslocamento para provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para nível de energia de
10J
Gráfico 19 - Curvas Força-Deslocamento para provetes granulado de cortiça médio para nível de energia de 10J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 1 2 3 4 5 60
1
2
3
4
5
6
C1 10J
C2 10J
C3 10J
C4 10J
Deslocamento mmF
orç
akN
0 2 4 60
1
2
3
4
5
6
Cf1 10J
Cf2 10J
Cf3 10J
Cf4 10J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 2 4 60
1
2
3
4
5
6
Cm1 10J
Cm2 10J
Cm3 10J
Cm4 10J
Anexos
_____________________________________________________________________________
66
Gráfico 20 - Curvas Força-Deslocamento para provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para nível de energia de
15J
Gráfico 21 - Curvas Força-Deslocamento para provetes granulado de cortiça médio para nível de energia de 15J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 2 4 6 80
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
C1 15J
C2 15J
C3 15J
C4 15J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 2 4 6 80
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ICf115J
Cf2 15J
Cf3 15J
Cf4 15J
Deslocamento mm
Fo
rça
kN
0 2 4 6 80
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cm1 15J
Cm2 15J
Cm3 15J
Cm4 15J
Anexos
_____________________________________________________________________________
67
ANEXO 7
Gráficos energia-tempo referentes aos ensaios de impacto de baixa-velocidade
Gráfico 22 – Curva Energia-Tempo para provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para nível de energia de 5J
Gráfico 23 - Curva Energia-Tempo para provetes com granulado de cortiça médio para nível de energia de 5J
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
1
2
3
4
5
C1 5J
C2 5J
C3 5J
C4 5J
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
1
2
3
4
5
6
Cm1 5J
Cm2 5J
Cm3 5J
Cm4 5J
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
1
2
3
4
5
Cf1 5J
Cf2 5J
Cf3 5J
Cf4 5J
Anexos
_____________________________________________________________________________
68
Gráfico 24 - Curva Energia-Tempo para provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para nível de energia de 10J
Gráfico 25 - Curva Energia-Tempo para provetes com granulado de cortiça médio para nível de energia de 10J
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
C1 10J
C2 10J
C3 10J
C4 10J
Tempo msE
ne
rgia
J
0 2 4 6 8 100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cf1 10J
Cf2 10J
Cf3 10J
Cf4 10J
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 2 4 6 8 100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cm1 10J
Cm2 10J
Cm3 10J
Cm4 10J
Anexos
_____________________________________________________________________________
69
Gráfico 26 - Curva Energia-Tempo para provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para nível de energia de 15J
Gráfico 27 - Curva Energia-Tempo para provetes com granulado de cortiça médio para nível de energia de 15J
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 2 4 6 8 100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
C1 15J
C2 15J
C3 15J
C4 15J
Tempo msE
ne
rgia
J
0 2 4 6 8 100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Cf1 15J
Cf2 15J
Cf3 15J
Cf4 15J
Tempo ms
En
erg
iaJ
0 2 4 6 8 100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Cm1 15J
Cm2 15J
Cm3 15J
Cm4 15J
Anexos
_____________________________________________________________________________
70
ANEXO 8
Gráficos força-tempo referentes aos ensaios de impacto de baixa-velocidade
Gráfico 28 – Curva Força-Tempo para os provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para o nível de energia de 5J
Gráfico 29 - Curva Força-Tempo para provetes com granulado de cortiça médio para o nível de energia de 5J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 1 2 3 4 5 60
1
2
3
4
C1 5J
C2 5J
C3 5J
C4 5J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 1 2 3 4 5 6 7 80
1
2
3
4
Cf1 5J
Cf2 5J
Cf3 5J
Cf4 5J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 1 2 3 4 5 6 7 80
1
2
3
4
Cm1 5J
Cm2 5J
Cm3 5J
Cm4 5J
Anexos
_____________________________________________________________________________
71
Gráfico 30 - Curva Força-Tempo para os provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para o nível de energia de 10J
Gráfico 31 - Curva Força-Tempo para provetes com granulado de cortiça médio para o nível de energia de 10J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 1 2 3 4 5 6 7 80
1
2
3
4
5
6
C1 10J
C2 10J
C3 10J
C4 10J
Tempo msF
orç
akN
0 2 4 6 80
1
2
3
4
5
6
Cf1 10J
Cf2 10J
Cf3 10J
Cf4 10J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 2 4 6 80
1
2
3
4
5
6
Cm1 10J
Cm2 10J
Cm3 10J
Cm4 10J
Anexos
_____________________________________________________________________________
72
Gráfico 32 - Curva Força-Tempo para os provetes de prepreg e provetes com granulado de cortiça fino para o nível de energia de 15J
Gráfico 33 - Curva Força-Tempo para provetes com granulado de cortiça médio para o nível de energia de 15J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 2 4 6 80
1
2
3
4
5
6
7
8
C1 15J
C2 15J
C3 15J
C4 15J
Tempo msF
orç
akN
0 2 4 6 80
1
2
3
4
5
6
7
8
Cf1 15J
Cf2 15J
Cf3 15J
Cf4 15J
Tempo ms
Fo
rça
kN
0 2 4 6 80
1
2
3
4
5
6
7
8
Cm1 15J
Cm2 15J
Cm3 15J
Cm4 15J
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